анализатор качества электрической энергии

Формула изобретения

1. Анализатор качества электрической энергии, содержащий входное устройство, выполненное с возможностью нормирования поступающих на его информационные входы сигналов напряжения и токов фаз и земляного провода сети и разделения сигналов напряжений на узко- и широкополосные импульсные составляющие, один из информационных входов входного устройства соединен с блоком питания, на входы которого подаются сигналы напряжений фаз, анализатор содержит также последовательно соединенные через системную шину программируемый блок обработки сигналов, интерфейс межпроцессорного обмена, центральный процессор и средство отображения информации, отличающийся тем, что в него введены два оперативных запоминающих устройства, соединенных двунаправленными шинами с интерфейсом межпроцессорного обмена, при этом системные шины являются двунаправленными, также введены устройство преобразования и управления и устройство измерения импульсных параметров, масштабирующие выходы которого, предназначенные для формирования на них сигналов изменения масштаба, соединены с управляющими входами входного устройства и устройства преобразования и управления, а выходы импульсных параметров соединены с соответствующими входами устройства преобразования и управления, информационный выход которого соединен с входом программируемого блока обработки сигналов, другие выходы устройства преобразования и управления соединены с соответствующими управляющими

входами сигналов сброса для синхронизации устройства измерения импульсных параметров, другие входы которого соединены с широкополосными выходами входного устройства, предназначенного для подачи узкополосных импульсных составляющих сигналов на соответствующие входы устройства преобразования и управления, содержащего три коммутатора, высокочастотный генератор, генератор сетки частот, инвертор, формирователь, выполненный с возможностью формирования сигнала с частотой сети из сигналов напряжений фаз, устройство фазовой подстройки частоты, формирователь сигналов, выполненный с возможностью формирования в ответ на сигналы с частотой сети сигналов сброса для синхронизации устройства измерения импульсных параметров, аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования аналоговых нормированных сигналов токов и напряжений фаз и земляного провода в последовательный код, блок модификации кодов, предназначенный для введения в последовательный код информации о порядке следования широкополосных сигналов по каналам устройства измерения импульсных параметров и о масштабе сигналов токов и напряжений фаз и земляного провода, и два устройства выборки и хранения, предназначенных для подачи сигналов на информационные входы соответствующих коммутаторов, через которые устройства выборки и хранения соединены с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого через блок модификации кодов соединен с информационным входом программируемого блока обработки сигналов, формирователь последовательно соединен с блоком фазовой подстройки, генератором сетки частот и

высокоточным генератором, предназначенным для подачи сигнала тактовой частоты на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя, входы одного из устройств выборки и хранения соединены с узкополосными входами устройства преобразования и управления, информационный вход второго устройства выборки и хранения соединен с выходом третьего коммутатора, входы которого соединены с выходами импульсных параметров устройства измерения импульсных параметров, выходы генератора сетки частот подключены к соответствующим управляющим входам коммутаторов, одного из устройств выборки и хранения, к формирователю, блоку модификации кодов и инвертору, выход инвертора соединен с управляющим входом второго устройства выборки и хранения и с другим управляющим входом соответствующего этому устройству выборки и хранения коммутатора для обеспечения функционирования одного устройства выборки и хранения с соответствующим коммутатором в противофазе второму устройству выборки и хранения с соответствующим коммутатором, вход формирователя соединен с информационными входами входного устройства, выходы формирователя сигналов соединены с управляющими входами устройства измерения импульсных параметров, соответствующий масштабирующий выход которого соединен с соответствующим входом блока модификации кодов.

2. Анализатор качества электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что устройство измерения импульсных параметров состоит из четырех одинаковых каналов, при этом один канал содержит компараторы положительных и отрицательных сигналов, пиковые детекторы положительных и отрицательных сигналов, интеграторы положительных и отрицательных сигналов, формирователь сигнала изменения масштаба, сумматоры длительности положительных и отрицательных сигналов и счетчики положительных и отрицательных сигналов, причем информационные входы пиковых детекторов, интеграторов и компараторов соединены соответственно с информационным входом канала, предназначенным для поступления сигналов с широкополосных выходов входного устройства, управляющие входы пиковых детекторов положительных и отрицательных сигналов, интеграторов положительных и отрицательных сигналов, сумматоров длительности положительных и отрицательных сигналов и счетчиков положительных и отрицательных сигналов соединены с входом канала, предназначенным для поступления сигналов сброса, информационные входы сумматора и счетчика положительных сигналов и один из входов формирователя сигнала изменения масштаба соединены с выходом компаратора положительных сигналов, информационные входы сумматора и счетчика отрицательных сигналов и другой вход формирователя сигнала изменения масштаба соединены с выходом компаратора отрицательных сигналов, выходы пиковых детекторов положительных и отрицательных сигналов, интеграторов положительных и отрицательных сигналов, сумматоров длительности положительных и отрицательных сигналов, счетчиков положительных и отрицательных сигналов и формирователя сигнала изменения масштаба соединены с соответствующими выходами импульсных параметров устройства измерения импульсных параметров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения показателей качества электрической энергии.

Известно устройство для измерения электрических параметров в трехфазных сетях (см. а.с. СССР N 1478139 G 01 R 19/35).

В известном устройстве также измеряются активные и реактивные составляющие тока. Устройство содержит три трансформатора тока и напряжения, нуль-орган, буферный блок, регистратор, делитель частоты, триггер и элементы И. Блок управления соответствующими командами через аналоговый коммутатор к аналого-цифровому преобразователю последовательно подключает трансформаторы. Нуль-орган определяет момент перехода через нуль напряжения в соответствующей фазе сети, а генератор, делитель частоты, элементы И и элемент ИЛИ, триггер и реверсивный счетчик определяют период соответствующего напряжения, а также четверть периода и другие моменты измерения. Регистр хранит информацию о периоде. Буферный блок и регистратор записывают и индицируют информацию с выхода АЦП.

Наиболее близким решением по отношению к заявленному является осциллограф Р513 ("Описание конструкции и эксплуатации", Санкт-Петербург, Материалы конференции, сентябрь 1998 г.), содержащий входное устройство, соединенное с блоком питания, программируемый блок обработки сигналов, интерфейс, центральный процессор, средство отображения (дисплей) и соответствующие системные шины.

Недостатками известных технических решений является невозможность непрерывного комплексного измерения всех показателей качества электроэнергии одновременно во всех фазах с требуемой точностью.

Техническим результатом заявленного решения является расширение функциональных возможностей за счет непрерывного комплексного измерения всех показателей качества электроэнергии одновременно во всех фазах с требуемой точностью.

Указанный технический результат достигается тем, что в анализатор качества электрической энергии, содержащий входное устройство, выполненное с возможностью нормирования поступающих на его информационные входы сигналов напряжений и токов фаз и земляного провода сети и разделения сигналов напряжений на узкополосные и широкополосные импульсные составляющие, один из информационных входов входного устройства соединен с блоком питания, на входы которого подаются сигналы напряжений фаз, анализатор содержит также последовательно соединенные через системную шину программируемый блок обработки сигналов, интерфейс межпроцессорного обмена, центральный процессор и средство отображения информации, введены два оперативных запоминающих устройства, соединенные двунаправленными шинами с интерфейсом межпроцессорного обмена, при этом системные шины являются двунаправленными, также введены устройство преобразования и управления и устройство измерения импульсных параметров, масштабирующие выходы которого, предназначенные для формирования на них сигналов изменения масштаба, соединены с управляющими входами входного устройства и устройства преобразования и управления, а выходы импульсных параметров соединены с соответствующими входами устройства преобразования и управления, информационный выход которого соединен с входoм программируемого блока обработки сигналов, другие выходы устройства преобразования и управления соединены с соответствующими управляющими входами сигналов сброса для синхронизации устройства измерения импульсных параметров, другие входы которого соединены с широкополосными выходами входного устройства, предназначенного для подачи узкополосных импульсных составляющих сигналов на соответствующие входы устройства преобразования и управления, содержащего три коммутатора, высокочастотный генератор, генератор сетки частот, инвертор, формирователь, выполненный с возможностью формирования сигнала с частотой сети из сигналов напряжений фаз, устройство фазовой подстройки частоты, формирователь сигналов, выполненный с возможностью формирования в ответ на сигналы с частотой сети сигналов сброса для синхронизации устройства измерения импульсных параметров, аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования аналоговых нормированных сигналов токов и напряжений фаз и земляного провода в последовательный код, блок модификации кодов, предназначенный для введения в последовательный код информации о порядке следования широкополосных сигналов по каналам устройства измерения импульсных параметров и о масштабе сигналов токов и напряжений фаз и земляного провода, и два устройства выборки и хранения, предназначенные для подачи сигналов на информационные входы соответствующих коммутаторов, через которые устройства выборки и хранения соединены с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого через блок модификации кодов соединен с информационным входом программируемого блока обработки сигналов, формирователь последовательно соединен с блоком фазовой подстройки, генератором сетки частот и высокоточным генератором, предназначенным для подачи сигнала тактовой частоты на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя, входы одного из устройств выборки и хранения соединены с узкополосными входами устройства преобразования и управления, информационный вход второго устройства выборки и хранения соединен с выходом третьего коммутатора, входы которого соединены с выходами импульсных параметров устройства измерения импульсных параметров, выходы генератора сетки частот подключены к соответствующим управляющим входам коммутаторов, одного из устройств выборки и хранения, к формирователю, блоку модификации кодов и инвертору, выход инвертора соединен с управляющим входом второго устройства выборки и хранения и с другим управляющим входом соответствующего этому устройству выборки и хранения коммутатора для обеспечения функционирования одного устройства выборки и хранения с соответствующим коммутатором в противофазе второму устройству выборки и хранения с соответствующим коммутатором, вход формирователя соединен с информационными входами входного устройства, выходы формирователя сигналов соединены с управляющими входами устройства измерения импульсных параметров, соответствующий масштабирующий выход которого соединен с соответствующим входом блока модификации кодов.

Устройство измерения импульсных параметров состоит из четырех одинаковых каналов, при этом один канал содержит компараторы положительных и отрицательных сигналов, пиковые детекторы положительных и отрицательных сигналов, интеграторы положительных и отрицательных сигналов, формирователь сигнала изменения масштаба, сумматоры длительности положительных и отрицательных сигналов и счетчики положительных и отрицательных сигналов, причем информационные входы пиковых детекторов, интеграторов и компараторов соединены соответственно с информационным входом канала, предназначенным для поступления сигналов с широкополосных выходов входного устройства, управляющие входы пиковых детекторов положительных и отрицательных сигналов, интеграторов положительных и отрицательных сигналов, сумматоров длительности положительных и отрицательных сигналов и счетчиков положительных и отрицательных сигналов соединены с входом канала, предназначенным для поступления сигналов сброса, информационные входы сумматора и счетчика положительных сигналов и один из входов формирователя сигнала изменения масштаба соединены с выходом компаратора положительных сигналов, информационные входы сумматора и счетчика отрицательных сигналов и другой вход формирователя сигнала изменения масштаба соединены с выходом компаратора отрицательных сигналов, выходы пиковых детекторов положительных и отрицательных сигналов, интеграторов положительных и отрицательных сигналов, сумматоров длительности положительных и отрицательных сигналов, счетчиков положительных и отрицательных сигналов и формирователя сигнала изменения масштаба соединены с соответствующими выходами импульсных параметров устройства измерения импульсных параметров.

На фиг. 1 представлена структурная схема анализатора качества электрической энергии; на фиг. 2 - устройство измерения импульсных параметров одного из каналов; на фиг. 3 - устройство преобразования и управления; на фиг. 4(а, б, в) - временные диаграммы.

Анализатор качества электрической энергии содержит входное устройство 1, блок питания 2, устройство измерения импульсных параметров 3, устройство преобразования и управления 4, программируемый блок отработки сигнала 5, интерфейс межпроцессорного обмена 6, первое оперативное запоминающее устройство 7, второе оперативное запоминающее устройство 8, центральный процессор 9 и средство отображения (не показанo).

Устройство преобразования и управления 4 содержит два блока выборки и хранения 11 и 12, три коммутатора 13, 14 и 15, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, блок модификации кодов 17, высокочастотный генератор 18, генератор сетки частот 19, инвертор 20, формирователь 21, блок фазовой подстройки частоты 22 и формирователь сигналов 23.

Устройство измерения импульсных параметров 3 одного из каналов содержит компараторы 24 и 25 положительных и отрицательных сигналов, пиковые детекторы 26 и 27 положительных и отрицательных сигналов соответственно, интеграторы 28 и 29 положительных и отрицательных сигналов, формирователь 30 сигнала изменения масштаба, сумматоры длительности 31 и 32 положительных и отрицательных сигналов, счетчики 33 и 34 положительных и отрицательных сигналов.

Работает анализатор качества электрической энергии следующим образом.

На информационные входы входного устройства 1 (см. фиг. 1) поступают сигналы токов фаз и земляного провода сети 50 Гц: IA, IB, IC, IG (IX), а также напряжения фаз и земляного провода UA, UB, UC, UG (UX).

На управляющие входы входного устройства 1 с масштабирующих выходов устройства измерения импульсных параметров 3 поступают сигналы управления масштабами напряжений M_a, M_b, M_c, M_g (M_x). Входное устройство 1 осуществляет нормировку сигналов IX и UX и разделение сигналов напряжений на узкополосные составляющие UX и широкополосные импульсные составляющие U_xи.

С узкополосных выходов входного устройства 1 нормированные сигналы токов I_a, I_b, I_c, I_g (I_x) и напряжений U_a, U_b, U_c, U_g, (U_x) поступают на одноименные входы устройства преобразования и управления 4.

Кроме того, с широкополосных выходов входного устройства 1 нормированные импульсные составляющих напряжений сети U_au, U_bu, U_cu, U_gu (U_xu) поступают на одноименные входы устройства измерения импульсных параметров 3. При превышении каким-либо сигналом U_xи установленного порога устройство измерения импульсных параметров 3 формирует соответствующий сигнал М_x, который используется вo входном устройстве 1 для изменения масштаба соответствующего сигнала U_x и в устройстве преобразования и управления 4 для введения информации о масштабе сигналов U_x.

На входы блока питания 2 подаются фазные напряжения UA, UB, UC, с выходов которого снимаются напряжения питания анализатора +5V, 12V.

На управляющие входы устройства измерения импульсных параметров 3 с соответствующих выходов устройства преобразования и управления 4 поступают сигналы сброса R_a, R_b, R_c, R_g (R_x), под воздействием которых в устройстве измерения импульсных параметров 3 осуществляется синхронизация формирования сигналов.

С выходов импульсных параметров устройства измерения импульсных параметров 3 на соответствующие входы устройства преобразования и управления 4 поступают сигналы значений импульсных параметров И_a, И_b, И_c, И_g (И_x), где

И_a: +A_a, -A_a, +S_a, -S_a, +t_a, -t_a, +N_a, -N_a;

И_b: +A_b, -A_b, +S_b, -S_b, +t_b, -t_b, +N_b, -N_b;

И_c: +A_c, -A_c, +S_c, -S_c, +t_c, -t_c, +N_c, -N_c;

И_g: +A_g, -A_g, +S_g, -S_g, +t_g, -t_g, +N_g, -N_g;

A_a, A_b, A_c, A_g (A_x) - максимальная амплитуда импульсов положительной и отрицательной полярности в текущем интервале;

t_a, t_b, t_c, t_g (t_x) - интегральная длительность положительных и отрицательных импульсов;

S_a, S_b, S_c, S_g (S_x) - интегральная площадь положительных и отрицательных импульсов;

N_a, N_b, N_c, N_g (N_x) - количество отрицательных и положительных импульсов на интервале.

Устройство измерения импульсных параметров 3 (см. фиг. 2) состоит из четырех одинаковых каналов, на информационные входы которых поступают сигналы U_xи с широкополосных выходов входного устройства.

На информационные входы сумматора 31 и счетчика 33 положительных сигналов и один из входов формирователя 30 поступает сигнал с выхода компаратора 24 положительных сигналов. На информационные входы сумматора 32 и счетчика 34 отрицательных сигналов и другой вход формирователя 30 поступает сигнал с выхода компаратора 25 отрицательных сигналов.

На управляющие входы пиковых детекторов 26 и 27, интеграторов 28 и 29, счетчиков 33 и 34 и сумматоров 31 и 32 поступает сигнал сброса R_x.

Работа канала устройства измерения импульсных параметров 3 иллюстрируется временными диаграммами представленными на фиг. 4a.

При превышении U_xи положительного или отрицательного значения порогового напряжения срабатывает соответствующий компаратор 24 или 25, а формирователь 30 формирует сигнал M_x, под воздействием которого изменяется масштаб сигнала UX во выходном устройстве 1, что позволяет, при соответствующей длительности, пропустить низкочастотную часть импульсной помехи на вход устройства преобразования и управления 4.

Измерение параметров U_xи осуществляется периодически на интервале между импульсами соответствующих сигналов R_x.

С помощью пиковых детекторов 26 и 27 фиксируется максимальная амплитуда U_xи, с помощью интеграторов 28 и 29 фиксируются интегральные значения U_xи с помощью сумматоров 31 и 32 фиксируется суммарная длительность U_xи на интервале измерения, с помощью счетчиков 33 и 34 подсчитывается количество импульсов U_xи. В конце каждого интервала измерения сигналы значений импульсных параметров И_х фиксируются в блоке выборки и хранения 12 устройства преобразования и управления 4, после чего начинается новый интервал измерения импульсных параметров.

Сигналы I_x и U_x, а также И_x, поступающие на узкополосные входы устройства преобразования и управления 4, преобразуются в цифровую форму и поступают на информационный вход программируемого блока обработки сигналов 5.

Сигналы I_x и U_x поступают на входы блока выборки и хранения 11 (см. фиг. 3), кроме того, U_a, U_b и U_c поступают на входы формирователя 21.

На информационные входы блока выборки и хранения 12 поступают сигналы с выхода коммутатора 15, на входы которого поступают сигналы U_x с выходов импульсных параметров устройства измерения импульсных параметров 3.

С выходов блоков выборки и хранения 11 и 12 сигналы поступают на информационные входы соответственно коммутаторов 13 и 14.

С выходов коммутаторов 13 и 14 сигналы поступают на информационный вход АЦП 16.

С выхода формирователя 21 сигнал 50 Гц поступает на один из входов блока фазовой подстройки частоты 22, на другой его вход поступает сигнал с выхода "50 Гц" генератора сетки частот 19. С помощью блока фазовой подстройки частоты 22 сетка частот строго синхронизируется с частотой сети 50 Гц.

С выхода генератора сетки частот 19 сигналы частот F₀, F₁...F₆, а также сигнал с выхода инвертора 20 поступают соответственно на управляющие входы блоков выборки и хранения 11 и 12, коммутаторов 13-15, формирователь сигналов 23, высокочастотный генератор 18 и блок модификации кодов 17.

С выхода высокочастотного генератора 18 сигнал тактовой частоты поступает на управляющий вход АЦП 16.

С выходов формирователя сигналов 23 сигналы R_x поступают на управляющие входы устройства измерения импульсных параметров 3.

Временные диаграммы, поясняющие работу устройства преобразования и управления 4, представлены на фиг. 4б и 4в.

Под воздействием каждого импульса F₀ высокочастотный генератор 18 формирует серию из 16 импульсов высокой частоты ( 6 МГц), под воздействием которых АЦП 16 осуществляет цикл преобразования аналогового сигнала в последовательный цифровой код.

Под воздействием сигналов F₁, F₂, F₃ коммутаторы 13 и 14 осуществляют коммутацию сигналов из блоков выборки и хранения 11 и 12 на информационный вход АЦП 16. По сигналам F₄ и осуществляется поочередное подключение блоков выборки и хранения 11 и 12 к информационному входу АЦП 16 (см. фиг 4б). Под воздействием сигналов F₄ и синхронно с коммутаторами 13 и 14 блоки выборки и хранения 11 и 12 осуществляют выборку и хранение сигналов I_x, U_x, а также выходных сигналов коммутатора 15.

Как видно из временной диаграммы на фиг. 4б, коммутатор 13 работает в то время, когда блок выборки и хранения 11 находится в режиме хранения, а блок выборки и хранения 12 - в режиме выборки. Коммутатор 14 и блок выборки и хранения 12 работают в противофазе с коммутатором 13 и блоком выборки и хранения 11.

В соответствии с временной диаграммой на фиг. 4б сигналы U_x и I_x поступают на информационный вход АЦП 16 в течение каждого периода F₄, в то время как сигналы И_x каждого канала поступают на информационный вход АЦП 16 в 4 раза реже (см. фиг. 4в) с частотой F₆. Это связано с тем, что сигналов I_x и U_x всего 8, а сигналов И_x - 32.

Сигналы И_x поступают на входы коммутатора 15, который их коммутирует на информационные входы устройства выборки и хранения 12 под воздействием сигналов F₅ и F₆.

Под воздействием сигналов F₅ и F₆, поступающих на входы формирователя сигналов 23, формируются сигналы R_x, поступающие на управляющие входы устройства измерения импульсных параметров 3. Порядок следования сигналов R_x представлен на диаграмме фиг. 4в.

Блок модификации кода 17 устройства преобразования и управления 4 обеспечивает введение информации в код АЦП о порядке следования кодов каналов и масштабе сигналов U_x. На один из входов блока модификации кодов 17 поступает код АЦП, на второй вход поступает частота F₆ с генератора сетки частот 19, на третий вход поступает сигнал M_x с масштабирующего выхода устройства измерения импульсных параметров 3, при этом на выходе получают модифицированный код.

С выхода блока модификации кодов 17 информация об измеряемых величинах поступает в программируемый блок обработки данных 5, где осуществляется преобразование последовательного кода в параллельный. В программируемом блоке обработки данных 5 осуществляется буферизация данных (16384 слов - минимальный размер буфера данных, предназначенных для обработки). В то же время программируемый блок обработки данных 5 производит вычисления над данными из предыдущего накопленного буфера, и результаты вычислений записываются в первое оперативное запоминающее устройство 6 через интерфейс межпроцессорного обмена 7. По окончании вычислений программируемый блок обработки данных 5 сообщает центральному процессору 9 "Данные готовы". Проанализировав сообщение "Данные готовы", центральный процессор 9 производит запись служебной информации во второе оперативное запоминающее устройство 8 через интерфейс межпроцессорного обмена 7 и устанавливает сигнал "Обмен", после чего служебная информация второго оперативного запоминающего устройства 8 становится доступной программируемому блоку обработки данных 5, на основании которой считается, что обмен завершен, а информация первого оперативного запоминающего устройства 6 становится доступной центральному процессору 9. Таким образом, центральному процессору 9 становятся доступны результаты обработки очередного буфера данных, которые воспроизводятся на средстве отображения, сохраняются в архиве и могут быть переданы по линии связи. Программируемый блок обработки данных 5 продолжает накапливать очередной буфер данных и по окончании накопления процесс повторяется.

Описанный выше процесс происходит во время рабочего состояния анализатора. В начальный момент времени последовательный код, поступающий в программируемый блок обработки данных 5, теряется. Для того чтобы анализатор перешел в рабочее состояние, в центральный процессор 9 необходимо ввести команду "начать измерения" (команда вводится с помощью клавиатуры). После этого центральный процессор записывает во второе оперативное запоминающее устройство 8 через интерфейс межпроцессорного обмена 7 программу, содержащую алгоритм обработки данных, тип подключения каналов, число фаз, коэффициенты трансформации, пределы измеряемых параметров, и т.д. и устанавливает сигнал "Oбмен".

Преимущества заявленного изобретения перед известными техническими решениями заключаются в следующем:

- устройство непрерывно измеряет все показатели качества электроэнергии одновременно во всех фазах;

- устройство не только измеряет указанные выше показатели, но и является счетчиком электрической энергии, а также регистратором переходных процессов;

- устройство измеряет не только показатели качества для напряжения, но и показатели качества для тока, измеряет все составляющие мощности, что необходимо для выявления источника ухудшения показателей качества.