Устройство для вычисления параметров трехфазной сети

(51)4 С 06 Р 15/56 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт электродинамики АНУССР(56) Автоматизированная информационно-измерительная система учета и контроля электроэнергии НИСЭ 1-48.Техническое описание АСУЗ.031.000 ТО.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ(57) Изобретение относится квычислительной технике и может быть использовано для измерения действующих значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) гармоникнапряжений и/или токов и их симметричных составляющих, действующихзначений напряжений и/или токов, активной и реактивной мощности гармоник, активной мощности в каждой фаЯО 1376104 А 1 зе трехфазной сети, в частности дляопределения показателей качестваэлектрической энергии, нормируемыхГОСТ 13109-67. Цель изобретенияповышение точности, быстродействияи расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности определения действующих значений гармоник фазовыхнапряжений и токов, их симметричныхсоставляющих,активных.и реактивныхмощностей гармоник, действующих нап"ряжений и токов и активных мощностей в каждой фазе. С этой целью вустройство, содержащее постоянныйзапоминающий узел, коммутатор 2, делитель 1 напряжения, умножитель 13частоты, блок 14 управления, аналогоцифровой преобразователь 3, блок7 умножения, блок 10 суммирования,запоминающий узел 11 и,вычислительный блок 12, введены мультиплексор15, регистр 9, коммутатор 5, аналогоцифровой преобразователь 6 и преобразователь 4 тока в напряжение.1 з,п. ф-лы, 5 ил.1376104 Составитель А.ЖереновРедактор Н.Тупица Техред А.Кравчук Корректор М. Шароши Заказ 789/48 Тираж 704ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для измерения действующих значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) гармоник . напряжений и/или токов и их симметричных составляющих, действующих значений напряжений и/или токов, активной и реактивной мощности гармоник, активной мощности в каждой фазе трехфазной сети, в частности для определения показателей качества электрической энергии (отклонение напряжения, коэффициенты несинусои дальности и неуравновешенности напряжений трехфазной сети), нормируемых ГОСТ 13109-67.Цель изобретения - повышение точности, быстродействия и расширение 20 функциональных возможностей устрой. - ства за счет обеспечения определения действующих значений гармоник фаэных напряжений и токов, их симметричных составляющих, активных и 25 реактивных мощностей гармоник, действующих напряжений и токов и активных мощностей в каждой фазе.На фиг. 1 приведена блок-схема устройства;на фиг, 2 и 3 - времен ные диграммы, поясняющие его работу на фиг. 4 - схема блока синхронизации;на фиг, 5 - блок-схема алгоритма работы вычислительного блока,Устройство содержит делитель 1напряжения, коммутатор 2, аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 3,преобразователь 4 тока в напряжение,коммутатор 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блок 7 умножения, постоянный запоминающий узел(ПЗУ) 8, регистр 9, блок 10 суммирования, запоминающий узел (ЗУ) 11,вычислительный блок 12, умножитель13 частоты, блок 14 управления, муль-типлексор 15, блок 16 индикации,пульт 17 управления, регистры 18 и19, умножитель 20, шинный формирователь (КФ) 21, арифметико-логический узел (АЛУ) 22, запоминающийузел (ЗУ) 23, микропроцессор 24,постоянный запоминающий узел (ПЗУ)25, запоминающий узел (ЗУ) 26, параллельные программируемые интерфейсы 27-30, счетчики 31 и 32, генератор 33 тактовых импульсов, элементыИ 34-41, шифраторы 42 и 43 кодовопераций. Устройство работает следующим образом,С помощью блока 12 с пульта 17считывается код номера гармоники("НГ"), равный К, который через интерфейс 27 заносится в микропроцессор 24.Затем код К из микропроцессора 24 через интерфейс 29 поступаетна вход регистра 9 и заносится внего,Входные фазные. напряжения П, ПП и фазные токи , ,с помощью делителя 1 и преобразователя 4,соответственно преобразуется в нап"ряжения номинального уровня (вконкретной разработке 5 В).Одно изфазных напряжений, например П, поступает на вход умножителя 13, который умножает частоту входного сигнала в Я раз, где Х = 2 - коэффициент умножения частоты; ш - количество разрядов счетчика 32 (фиг. 4). Свыхода умножителя 13 снимаются импульсы (фиг. 2), период следованиякоторых равен Т/И. где Т - периодвходного сигнала. Эти импульсы запускают АЦП 3 и 6 и блок 14. Последнийформирует сигналы управления коммутаторами 2 и 5 ША 1 Км 2,5; ША 2 Км 2,5 (фиг. 4), которые изменяются после каждого выходного импульса умножителя 13. При этом через коммутаторы 2 и 5 на входы АЦП 3 и 6 подаются одновременно напряжения, пропорциональные Ц 1,после 0,4Н -4 импульсов умножителя 13; 11,после 1,5 Я - 3 импульсовумножителя 13; П , 1,. после 2,6И - 2 импульсов умножителя 13(фиг. 3).Эти сигналы при помощи АЦП 3 и 6преобразуются после и-го импульса=умножителя 13 (и = О,1 Я)в соответствующие им коды. С цельюминимизации аппаратурных затраткоэффициент Й выбран равным 2поэтому после 3,7 иимпульсовумножителя 13 никаких преобразований в АЦП 3 и 6 и операций в АЛУ22 не производится.Блок 14 вырабатывает также сигналы управления вводом информации врегистры 18 и 19 и ЗУ 11 и 23 (ЗпРг 18, Зп Рг 19, Зп ЗУ 11, Зп Зу 23),сигналы управления выводом информации из АЦП 3 и 6, ПЗУ 8, формирователя 21, регистра 9 (Чт АЦП 3, ЧтАЦП 6, Чт ПЗУ 8 (здп), Чт ПЗУ 8 (соз)1376104 управления. Для минимизации аппаратурных затрат используются два элемента И 35 и 36, с помощью которыхформируются сигналы С) и 0(фиг, 3)принимающие значения логической"1" при четырех последних и четерехпервых состояниях счетчика 32 соответственно: Чт ШФ 21, Чт Рг 9), сигналы управления АЛУ 22,сигналы управления адресом ЗУ 1 и 23 (СШ ЗУ 23) и адресомкоммутаторов 2 и 5 (ШАКИ).Блок 14 работает следующим образом. Каждый выходной импульс умножителя 13 сбрасывает счетчик 31, приэтом сигнал Рб принимает значениелогического "О", элемент И 34 открывается и тактовые импульсы (ТИ) Ч и = Ц А Л генератора 33 поступают на счетныйвход счетчика 31,После того, как Л С ЛЛ (,к 4)Ччт на счетный вход счетчика 31 поступит тридцать два импульса, на вы Первые шестнадцать состояний ходе Рб установится логическая 1Н 11счетчика 31 не используются, так элемент И 34 закроется и счет прек- как этот интервал времени й(фиг. 2) ратится. Сигналы Рб поступают на необходим для преобразования в АЦП счетный вход счетчика 32, поэтому 3 и 6 входных сигналов в код. При по его состояние соответствует номеру 20 мощи элементов И 37 - 41 формируют- и импульса умножителя 13. Выходные ся следующие сигналы управления,вресостояния счетчиков 31 и 32 испольменные диаграммы которых приведены зуются для формирования сигналов , на фиг. 2 и 3.ЗгРг 18 = (Р Ч Р Ч Р, ЧРЧ Р ) Л Р 5 Л ТИ;ЗпРг 19 = (Рч Р ч Рш ч Рв ч Рч Р 1 ) л Р 5 л ТИ;ЗпЗУ 23 = (Р) ч Р ч РшчР, ч Рш ч Р 51 ч Рт ч Р, ) Л Р 5 лТИ;(Е - Х) - Р Ч Рш Ч РЧ Р ч Р ч Р, ЧР, ) Л Р 5 Л 2 Л 01)ЧЧ(Р, Л Р 5 ЛЛ 0ША = (РтЧР, Ч РЧ Р) Л Р 5 Л (Я, Л ф,)ША 2 = (Р,ч Р ч РчР) ЛР 5 Л(ОлЯ,);шАз 1 Рч Р ч Р,УР )л Р 5 л Р 1 ллП;)ША 4 = (РчР+ ч Р,ч Рзч Рч Р, ч Р,) Л Р 5 л О Зл 01ША 5 = (Рч Р,Ч Р,ЧРИЧ РЧРззЧРш) Л Р 5 Л Озлил,где Р- состояние четырех младших ний коммутаторов 2 и 5 в АЦП 3 и 6разрядов счетчика 31. хранятся коды ПР 1 , где ш45 принимает значения А,В,С.Сигналы (Е=Х), (2=7) с помощью На вход управления выводом инфоршифратора 43 преобразуются в коды мации регистра 9 поступает сигналопераций, зависящие от конкретного"ЧтРг 9" (фиг, 2). Так как сигналтипа микросхем, используемых в АЛУ 22, "Чт ШФ 21" отсутствует, то код номе.При этом шифратор 43 построен таким ра гармоники К с выхода регистраобразом, что при одновременном от 509 поступает на входЛУ 22, на другойсутствии этих сигналов, он выраба- вход которого с выхода ЗУ 23 постутывает код операции (Е=Х+Т). пает код )А) текущей фазы К-Й гармоВ соответствии с приведенными ники, Эти коды суммируются в АЛУ 22,временными диаграммами (фиг. 2 и 3) и результат - новое значение текупосле и-го выходного импульса умно- . щей фазы а ги - заносится в ту же55жителя 13 устройство функционирует . ячейку ЗУ 23. Этот код после п-госледующим образом. В результате пре- импульса умножителя частоты равенобразования в код выходных напряжец)= К.1376104 6 гармоники тока фазы Р гии с составляющими Ье Одновременно на вход управлениявыводом информации АЦП 3 поступаетсигнал "ЧтАЦПЗ", а на вход синхронизации ввода информации регистра18 сигнал "ЗпРг 18", При этом выходной код АЦП 3 заносится в регистр 18.При следующем состоянии счетчика31 на вход управления АЛУ 22 поступает код операции (2=7), при этом свыхода ЗУ 23 через АЛУ 22 на адресныйвход узла 8 поступает код . С выхода узла 8 (в зависимости от того,какой сигнал поступил на его входуправления) снимается код япили соя ,. В данном случае на входуправления ПЗУ 8 поступает сигнал"ЧтПЗУ 8 (яп)", а на вход регистра19 - сигнал "ЗпРг 19". Соответствен2 Пно код яп = яп Кс выхода узла 8 заносится в регистр 19.Теперь в блоке 7 имеется два сомножителя: П,е и яп.Их произведениес выхода умножителя 20 при следующем состоянии счетчика 31, когдаесть сигнал "ЧтШФ 21", поступает навход АЛУ 22. На другой вход с выходаЗУ 23 подается код Ь с синуснойсоставляющей К-й гармоники напряжения фазы "Р" Эти коды суммируются,а результат - новое значение Ь езаносится ту же ячейку ЗУ 23,При следующем состоянии счетчика31 с выхода ЗУ 23 выводится код ун 35который поступает на адресный входузла 8, Но в этом случае навходуправления узла 8 поступает сигнал"ЧтПЗУ 8 (соя)", поэтому в регистр19 заносится код соя у, = соя2 ПК. Произведение кодов при сле. дующем состоянии счетчика 31 суммируется с выводимым из ЗУ 23 кодома, косинусной составляющей К-й 45ннгармоники напряжения фазыР , арезультат по аналои а,27 50 При состоянии счетчика 31 Р 5 6 Р 5 на управляющий вход АЦП 6 поступает сигнал "ЧтАЦП 6",а на вход регистра 18 - сигнал "ЧтРг 18", код ,заносится в регистр 18.Происходит подсчет синусной й с и косинусной с е соСтавляющих К-й заносится в ту же ячейку ЗУ 23. 2 лд: =д +Я 7 п - .ЕНСк С(1 1 2 нСЕнСе + 1 Сн Я 1 ПКпЗатем на управляющий вход АЦПЗпоступает сигнал "ЧтАЦП 2", а навходы регистров 18 и 19 -сигналы(фиг. 2). Следовательно, на выходеумножителя 20 получается код БЕп фкоторый суммируется с выводимымиз ЗУ 23 кодом Б е квадрата дейст 7вующего значения напряжения фазы"Р". Результат заносится в ту же ячейку ЗУ 23.Аналогично при состоянии счетчика 31 Р 5 ЛР в регистры 18 и 19 из АЦП 6 заносится код де, а при состоянии счетчика 31 Р 5 ПР, код . сумСо мируется с кодом 1 квадрата дейЕствующего значения тока фазы "Р", а результат заносится в ЗУ 23.При состоянии счетчика 31 Р 5 Р, в регистр 18 из АЦПЗ заносится код Бе, код 1 Е ранее занесен в регистр 19. Произведение этих кодов суммируется с кодом РЕ активной мощности в фазе "Р", который выводится иэ ЗУ 23,а результат снова заносится в ЗУ 23..В начале периода при и = 0,1,2 сигнал Ц= 1, Поэтому на входЛУ 22 поступает код операции (2 = Х), т,е. вместо суммирования выходного кода блока 7 с содержимым соответствующей ячейки ЗУ 23 производится пропускание выходного кода блока 7 на вход ЗУ 23 и занесение его в требуемую ячейку. Таким образом происходит как бы начальная установка ячеек ЗУ 23.Аналогично при и = 0 и состоя- нии счетчика 31 Р 5 Л Р, код операции АЛУ 22 (2 = Х), поэтому в ячейку,в которой хранится Ю заносится код К. В конце периода входного сигнала при и = И, М-З, Мсигнал 0 н =1,а в ячейках ЗУ 23 хранятся коды а е Ьен сЙ ен косинусных и синусных составляющих напряжения и тока К-й7 1376104гармоники, П Г; 12 квадратов дейст 2вующих значений йапряжений и токовР активной мощности фазы "Р"которые равны: 8теля 4, АЦП 3 и 6 ит.д., их активнуюРс и реактивную0:ск иощности:(3) 10 2с = (д ККг (Ьск сск - аск2 Ги с ), (4)15угол сдвига фазы 5 между токоми напряжением 2 Рсоз действующие значения напряжений 1 с и токов 1 , активную мощность в фазе "055 25 ,Т- (6)В последних формулах в левой части результат измерения, а в правой части одинаково с ним обозначенный код, переписываемый из ЗУ 1 1 в блок 12.35 ПО косинусным и синусным сОстав.ляющим фазных токов и напряжений блока 12 определяются .косинусные исинусные составляющие напряженийи токов прямой (а+, 5 Ь+5 с+5и нУлевой (пк 5 ок 5 со 5 с о)сим- метричных последовательностей К-й гармоник: 1(10), - а + - масштабные коэффици" 55 6 Вкенты,учитывающие коэффициенты передачи делителя 1,преобразовагде К, К 25ас= с Цс соз - Кп 5 .Ьс=сп 2 лЦ здп К сС д где суммирование ведется по и = 0,4,Вдля фазы "А", и = 1,5, Ядля Фазы "В", и = 2,6, Ядля фазы "С".Когда в ячейки ЗУ 23 записываются последние значения кодов указанных параметров, сигнал Я= 1, который поступает на вход мультиплексора 15, подключает адресный вход ЗУ 11 к адресному входу ЗУ 23, одновременно блок 14 формирует сигналы "ЗпЗУ 11" (фиг. 2), поэтому эти параметры одновременно записываются в ЗУ 23 и ЗУ 11 в ячейки с одинаковыми номерами.Информация из ЗУ 11 переписывается в блок 12 при условии О= О. Одновременно с накоплением новой информации о параметрах трехфазной сети в ЗУ 23 блок 12 производит обработку и представление полученной из ЗУ 1,1 информации, которой достаточно для получения большого количества параметров трехфазной сети.В частности, блок 12 вычисляет действующие значения К-й гармоники напряжения 2 21 = - Кд с +йс, (2) 2Рс = (НГ 2) КК, (а ск сс + Ь,.(13) 1- Ь + - Ь + - Ь . (14)1 13 дк 3 ьк 3 Ь 15 20 25 ЗО 40 45 50 55 После окончания перезаписи информации из ЗУ 11 происходит считывание с пульта 17 кода индицируемого Величины с 0 к, с ,с и определяются по аналогичОбным зависимостям путем замены составляющих а на с, Ь на д.Затем по косинусным и синуснымсоставляющим симметричных последовательностей в блоке 12 по формулам,аналогичным (1) - (5), определяютсядействующие значения К-х гармоникнапряжений и токов, их активные иреактивные мощности, углы сдвига Фазы между соответствующими токамии напряжениями.Вычислительный блок 12 взаимодействует с остальными узлами устройства в соответствии с алгоритмом,блок-схема которого приведена нафиг. 5. Микропроцессор 24 через интерфейс 30 опрашивает сигнал О, навходе последнего. Если О к = 1, т.е.происходит запись новой информациив ЗУ 11 и его вход подключен к входуЗУ 23, то блок 12 переходит в режиможидания тока, сигналне станетравным "О".После того, как. сигнал Я = 0(признак готовности данных) микро-процессор 24 переписываетинформацию иэ ЗУ 11 в ЗУ 26, которое входитв состав блока 12. При этом на выходе "ШЛ" интерфейса 30 поочередновыставляются адреса ячеек ЗУ 11,в которых хранятся коды а Ь к РТак как сигнал О, = О, то адресныйвМод ЗУ 11 подключается к выходу интерфейса 30, а содержимое ячеекЗУ 11 через интерфейс 30 сначала заносится в микропроцессор 24, а затем с его выхода в ЗУ 26. параметра ИП.Этот код анализируется в микропроцессоре 24 и определяется начальный адрес соответствующей подпрограммы, которая используется для вычисления параметра наоснове информации, переписанной изЗУ 11.Например, если код "ИП" соответствует индикации угла сдвига фазымежду напряжением и током прямойпоследовательности, то сначала поФормулам (9),(10) и кодам а Ьопределяются составляющие а+, Ь+,по этим же формулав,й,кодам с. Лкопределяются составляющие с дкоторые используются для подсчетавеличин Р+к, ,к по формулам (3)и (4), которые, в свою очередь, используются для получения окончательного результата по Формуле (5),Результат вычисления параметрачерез интерфейс 28 заносится в блок16. Затем с пульта 17 считываетсякод номера гармоники "НГ, которыйзаносится сначала в микропроцессор24, а затем через интерфейс 29 поступает на вход регистра 9. Для исключения сбоев в работе устройстваэтот код заносится в регистр 9 толь=ко в конце периода входного сигнала по обратному фронту сигнала 0к 1который поступает на вход записиинформации в регистр 9,Формула изобретения1 Устройство для вычисления параметров трехфазной сети, содержащее постоянный запоминающий узел, делитель напряжения, вход которого является первым информационным входом устройства, выходы делителя напряжения соединены с информационными входами первого коммутатора и с входом умножителя частоты соответственно, выход которого соединен с входом запуска блока управления и с запускающим входом первого аналого-, цифрового преобразователя,информационный вход которого соединен с выходом первого коммутатора, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым информационным входом блока умножения, выход которого соединен с первым информационным входом блока суммирования, выход которого соединен с информационным входом запоминающего узла вы137 ход которого соединен с информационным входом вычислительного блока, второй информационный вход вычислительного блока является входом исходных данных устройства, управляющие входы первого коммутатора, блока суммирования, управляющие входы блока умножения и запоминающего узла соединены с соответствующими выходами блока управления, о т л и ч аю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности, быстродействия и расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения определения действующих значений гармоник фазных напряжений и токов, их симметричных составляющих, активных и реактивных мощностей гармоник,действующих напряжений и токов и активных мощностей в каждой фазе, в него введены мультиплексор, регистр,вторые коммутатор и аналого-циФровой преобразователь и преобразователь тока в напряжение, вход которого является вторым информационным входом устройства, а выход соединен с информационным входом второго коммутатора, выход которого соединен с информационным входом второго аналого-цифрового преобразователя, запускающий вход которого соединен с выходом умножителя частоты, а выход соединен с вторым информационным входом блока умножения, третий информационный вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего узла, адресный вход которого соединен с выходом блока суммирования, информационные входы регистра и мультиплексора соединены с выходами данных и адреса вычислительного блока соответственно, выход регистра соединен с вторым информационным входом блока суммирования,выход мультиплексора соединен с адресным входом запоминающего узла, управляющие входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей,постоянного запоминающего узла, регистра, вход записи регистра, вход признака готовности данных вычисли 6104 12тельного блока и управляющие входы мультиплексора и второго коммутатора соединены с соответствующими выходами блока управления.52. Устройство по п, 1, о т л ич а ю щ е е с я тем,что блок управления содержит два счетчика, два шифратора кодов операций, элементы И и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с первыми входами второго, третьего, четвертого и пятого элементов И и со счетным входом первого счетчика, выходы разрядов с первого по пятый первого счетчика и выходы первого и второго размеров второго счетчика соединены с входами первого шифратора кодов операций соответственно,ъпод шестого разряда первого счетчика соединен со счетным входом второго счетчика и с вторым входом первого элемента И, выходы разрядов второго счетчика, начиная с третьего, соединены с входами шестого элемента И и с инверсными входами седьмого элемента И соответственно выход которого соединен с первым входом восьмого элемента ИЛИ, выходы с первого по четвертый первого шифратора кодов операций соединены с вторыми входами с второго по пятый элементов И соответственно, пятый выход соединен с первым входом второго шифратора кодов операций, шестой выход подключен к второму входу восьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом второго шифратора кодов операций, выход шестого элемента И соединен с третьим входом пятого элемента И, выходы первого шифратора кодов операций с седьмого по семнадцатьй,виходы с второго по шестой элементов И, выход второго шифратора кодов операций и выходы первого и второго разрядов второго счетчика являются выходами блока, вход которого соединен с установочным входом первого счетчика.ис и Ос с ссигЗ сд св 1376104 С 75 (3) (62 (8) И) л 9 ЯЯ22) шд ЯКЯУ1,237