Цифровой измеритель электрической энергии многофазной сети

-Я Юг 1 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МНОГОФАЗНОЙ СЕТИ (57) Изобретение относится к злектроизмерительной технике и может быть использовано при построении высокоточных цифровых устройств для измерения электроэнергии многофазной сети, Целью изобретения является повышение точности. Цель достигается введением масштабного преобразователя (МП) 4, второго и третьего ключей 24 и 25, преобразователя б напряжения в код(ПНК), комбинационного суммато. ра 7, двух многоцелевых регистров 8, 18, генератора 9, четырех счетчиков 10, 11, 12, 17, блока 13 выбора частоты, блока 14 формирования заполняющих импульсов, ло, . ческого элемента 2 И 15, двух логичаскцх элементов 2 И-НЕ 21, 22, деши 1 ра;., элемента 20 задержки, )-входово,: ческого элемента ) И-НЕ 16, делнт;-.:, Частоты, и управляемых делителей 26, ,., 2 б,п частоты (УДЧ), и регистров 27,1, , 2 у и п дифференцирующих цепей 28,1, 28.о и-входового логического элемента и-ИЛИ 29, блока 30 индикации, Измерение электроэнергии многофазной сети д;: - н:еч без распараллеливания струкгурной .,хемы по числу фаз. Применение введенн:; цифровых узлов позволяет путем быс:.в-,.с, твующего опроса всех фаз и еря; . суммарную электроэнергию сеи, при этоф синхронизация перемножителя 5 и ПНК : позволяет исключить влияние коммутацжн ных выбросов на точность устройства, Быс тродействующий выбор коэффициентов передач МП 4 и УДЧ отдельно ло кажда . фазе дает возможность с высокой точностью измерять пофазно энергию. Устройство также содержит п трансформаторов 1.1, , 1,п напряжения, и трансформаторов 2.1, ,2.п тока, первый ключ 3,2 з,п.ф-лы, 5 ил1647443 0 9 ин 5(ион дактор А. Шандорказ 1396ВНИИПИ Госуда Тираж 415 Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 8 ю.9 ки 5 дх,2 йббчакс) оставитель С. Хромовехред М.Моргентал Корректор А. ОсауленкоИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении высокоточных цифровых устройств для измерения электроэнергии многофазной сети,Целью изобретения является повышение точности измерения электроэнергии многофазной сети,На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового измерителя электрической энергии многофазной сети, на фиг, 2 а-в - блок-схе-. мы умножителя, блока выбора частоты и блока формирования заполняющих импульсов соответственно; на фиг. 3 и 4 - временные диаграммы работы устройства; на фиг,- характеристики умножител я.Цифровой измеритель электрической энергии многофазной сети содержит входные трансформаторы 1.1, , 1,п напряжения, входные трансформаторы 2.1,2,п тока, первыйключ 3, масштабный преобразователь 4, умножитель 5, преобразователь 6 напряжения в код., комбинационный сумматор 7 первый многоцелевой регистр 8, генератор 9, первый, второй и третий четчики 10 - 12 соответственно, блок 13 выбора частоты, блок 14 формирования заполняющих импульсов, логический элемент .: 1 15, логический элемент И-НЕ 16, четвертый счетчик 17; второй многоцелевой регистр 18, дешифратоо 19. элемент 20 задержки, первый и второй логические элементы 2 ИНЕ 21 и 22 соответственно, делитель 23 частоты, второй и третий ключ 24 и 25, управляемые делители 26,126.п частоты, регистры 27,1, , 27,п, дифференцирующие цепи 28.1, , 28.п, логический элемент ПИЛИ 19 и блок 20 индикации.Трансформаторы 1,1, , 1 п напряжения и трансформаторы 2.1, 2.п тока подключены к первым и и к вторым и входам ключа 3 соответственно. Первый выход ключа 3 соединен с первым входом умножителя 5, а второй выход через масштабный преобразователь 4 - к второму входу умножителя 5, выход которого через преобразователь 6 напряжения в код соединен с вторым входом комбинационного сумматора 7, Выход последнего подключен к входу многоцелевого регистра 8, который первым выходом соединен с первым входом комбинационного сумматора 7, Выход генератора 9 подключен к входу записи многоцелевого регистра 8, входу управления умножителя 5, к тактовому входу блока 13 выбора частоты, через счетчик 11 - к входам адреса записи и адреса считывания В многоцелевого регистра 18 и к управляющему входу ключа 25, а также непосредственно к входу счетчика 10, первый выход которого подключен к управляющему входу преобразователя 6 напряжения в код, а второй выход - к управляющим входам ключей 3 и 24, к входам первого адреса считывания А многоцелевых регист-.ров 8 и 18 и,к входу адреса записи многоцелевого регистра 8. Выход блока 13 выбора частоты через блок 14 формирования запоминающих импульсов соединен с вторым входом логического элемента 2 И 15, выход котооого через счетчик 17 подклочен к входам многоцелевого регистра 18 и логического элемента )И-НЕ 16, который выходом соединен с первыми входами логических элементов 2 И-НЕ 21 и 22.Первый выход А многоцелевого регистра 18 через дешифратор 19 подключен к управляющему входу масштабного преобразователя 4, а его второй выход В через регистры 27,1, 27.п - к управляющим входам управляемых делителей 26,1, . , 2 б.п частоты соответственно, Младший разряд второго выхода В многоцелевого регистра 18 через счетчик 11 соединен с входом выбора частоты блока 13 выбора частоты, Выход переноса комбинационного сумматора 7 подключен к входу ключа 24, первый выход которого через управляемый делитель 26,п астоты и дифференцирующую цепь 28.п подключен к первому входулогического элемента ПИЛИ 29, Выходь 1 ключа 24 со второго -а п-й через управляемые делители 26.1, ., 2 б.г 1-1) частоты и через дифференцирующие цепи 28.1, .28,(п) соединены с входами логического элемента ПИЛИ 29 с второго по и-й соответственно, выход которого соединен с входом блока 30 индикации.Выходы управляемых делителей26,1, ., 2 б.п подключены к соответствую щим входам ключа 25 с первого по п-й.Первый выход ключа 25 через делитель 23 частоты и элемент 20 задержки соединен с входами сброса блока 13 выбора частоты, блока 14 формирования заполняющих импульсов и счетчика 17, а через делитель 23частоты - с вторым входом логического элемента 2 И-НЕ 21, выходом подключенного к второму входу логического элемента 2 И-НЕ 22, Выход последнего соединен с входом записи многоцелевого регистра 18 и с (и+1)-мвходом ключа 25, выходы которого с второгопо п+1)-й подключены к входам записи регистров 27,127.п соответственно,Умножитель 5 фиг, 2 а) содержит аналого-цифровой преобразователь 31 (АЦП 31) и55. умножающий цифроаналоговый преобразователь 32 (ЦАП 32), Второй вход умножителя 5 через АЦП 31 подключен к входу ЦАП 32, вход опорного напряжения которого соединен с первым входом умножителя 5, а выход - с выходом умножителя 5, управляющий вход, Р=1( +Ч),(2)где К 1,Г, Кг.р, К 4,г, К 5 - коэффициенты передачи, нумерация которыхсовпадает с номерами соответствующих блоков;Ю ЮО Г, г - амплитудные значения напряжения и тока ю-й гармоники Е-йфазы,причем 1 м щ,0 Е и;й - ОТНОШЕНИЕ ЧаСтОтЫ гу К ЧаетОтЕц первой гармоники входныхсигналов, К = тгу/1ф ор, "у р - фазовые сдвиги напряжеР Рния и тока Е-й фазы Р -й гармоникиотносительно нуль-перехода напряжения первой фазы первой гармоники,управляющие импульсы с первого выхода счетчика 10 запускают в начале каждого 1-го такта АЦП 31 умножитель 5 ипреобразователь 6 напряжения в код, Поэтому по окончании 1-го такта измерения приподключении Е-й фазы на выходе преобразователя 6 формируется кодовое значениевыборки Рф) мгновенной мощности, которое хранится на его выходе в течение всегоследующего (Еь 1)-го такта. В течение 1-го такта на выходе преобразователя 6 напряжения в код хранится код мгновенноймощности Р(р 1)(И) предыдущей фазы, который поступает на вход и-фазного накапливающего сумматора, состоящего изсумматора 7 и регистра 8. Многоцелевойрегистр 8 тактируется по входу записи выходными импульсами генератора 9 с частотой т 1 у, которая в Е раз превышает частотутгу. При этом запись и считывание в многоцелевом регистре 8 осуществляется черезячейку с номером Е, что определяется соответствующим кодом на его входах адресазаписи и адреса считывания А, который также поступает и на управляющий вход ключа24,Таким образом, в течение 1-го такта измерений при подключении ключом 3 сигналов напряжения и тока Е-й фазы в Е-й ячейке многоцелевого регистра 8 с высокой частотой 11 у суммируется кодовое значение выборки Р(г-ф)(Е) Е-й фазы, сформированное по окончании предыдущего такта ЯЕЯ=7 К 1 Г К 2 Р К 4 Р К 5 К 6.1. . эп(, и (-1)+г ),(3)где Яр - сумма кодовых значений выборки мощности Р(р)(1-1), которые Е раз течение 1-готакта просуммировались через Е-ю ячейку и-фазного накапливающего сумматора;К 5 - коэффициент передачи преобразователя 6.В результате этого на выходе переносасумматора 7 на протяжении 1-го такта измерения с частотой, пропорциональной значению Р(р)(1-1), формируется пачка импульсов, которая подключается ключом 24 через соответствующие управляемый делитель 26.(Е) частоты и дифференцирующую цепь 28.(Е) к (Е)-му входу элемента ПИЛИ 29 и накапливается в блоке 30 индикации, Такое высокочастотное тактирование и-фазного накапливающего сумматора позволяет намного повысить быстродействие при выборе коэффициентов передачи преобразователя 4 и делителей 26,1, .,26 и.Коэффициенты усиления масштабного преобразователя 4 и управляемого делителя 26.Е частоты для любой Е-й фазы равны, поэтому средние частоты импульсов на выходах управляемых делителей 26,1, , 26.п частоты однозначно определяют количество электроэнергии соответствующих фаз. Отсюда наряду с общим значением электроэнергии и-фазной сати, формируемым в блоке 30 индикации, можно с высокой точностью измерять электроэнергию отдельных фаз.Таким образом, зациклов измеренияв блок 30 индикации предлагаемого цифрового измерителя поступит количество импульсов Еы, пропорциональное 45 измеренной электроэнергии многофазнойсети в соответствии с выражениемо щЕи(Ц=1 У, Х К.г Кг.г К 4 г=1 Г =-1 Ю =150 К 5 Кб Кз 25 гОэп ( (п 1+ Е) + фиг )ф,.,п( 27" (п+Е) -;- , ), (3)где- номер цикла;К 5, К 7,з, К 265 - коэффициенты передачи соответствующих по нумерации блоков;Рассмотрим кратко процесс выбора коэффициентов передачи, время которогоопределяется для каждой из фаз периодом тзу =1 Лзу,Выходные импульсы генератора 9 с частотой 11 у поступают на тактовый вход БВЧ 13, который в зависимости от единицного или нулевого сигнала на входе выбора частоты вырабатывает на своем выходе импульсы с частотой 14 у = 11 у/х или 15 у = 211 у/Зх = 214 у/3 соответственно, (где х - целое число), Эти импульсы поступают на тактовый вход БФЗИ 14 и вызывают формирование на его выходедвоичной последовательности заполняющих импульсов, период поступления каждого следующего из которых в два раза больше предыдущего (фиг. 3, б),В течение времени Тзу пачки импульсов с выхода управляемого делителя 26.Г частоты одной из фаз, проходя через ключ 25 и управляющий делитель 23 частоты, преобразуются в последовательность импульсов с относительно равномерным периодом, Далее эти импульсы при единицном выходном сигнале элемента 16 через логические элементы 21 и 22 поступают на вход записи многоцелевого регистра 18 и через ключ 25 - на вход записи соответствующего регистра 27,Р. В результате этого в течение каждого периода выходных импульсов делителя 23 частоты, пропорциональных энергии Р-й фазы, в счетчике 17 накапливаются выходные импульсы БФЗИ 14. По окончании каждого периода импульсов на выходе делителя 23 частоты происходит запись выходного,кода Уг счетчика 17 в Р-ю ячейку многоцелевого регистра 18 и через выход В - в соответствующий регистр 27.Р, после чего в целях синхронизации происходит сброс блоков 13 и 14 и счетчика 17 и весь процесс повторяется снова, При этом адрес ячейки Р определяется кодом Р, поступающим на входы адреса записи и адреса считывания В с частотой азу, в(цй) раз меньшей частоты 12 у. Отсюда частота считывания коэффициентов усиления по выходу А и коэффициентов деления по выходу В в многоцелевом регистре 18 различна и отличается в (ой) раз.Логический элемент 16 необходим для надежного установления максимального коэффициента усиления К 4,Г для Г-й фазы с нулевой или минимальной нагрузкой. В этом слуцае период выходных импульсов делителя велик, и при появлении на выходе счетчика 17 максимального кода (все единицы) перепад в ноль выходного сигнала логического элемента)И-НЕ блокирует элемент 2 И 15, запрещая дальнейший счет в счетчике 17, а также, проходя через элементы 21 и 22, осуществляет запись этого максималь ного кода Мр" в многоцелевой регистр 18 и через его выход В - в соответствующий регистр 27.Р.При вариациях нагрузки и неравномер 5 - ности выходных импульсов делителя 23 частоты могут возникать сбои и неустойчивыйвыбор коэффициентов передачи преобразователя 4 и делителя 26,1, , 26.п. Для устранения этого явления в предлагаемое 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 устройство введены счетчик 12 и блок 13Если при одной выходной частоте ВВЧ 13происходят сбои по младшему разряду выхода В многоцелевого регистра 18, то выходной логический уровень счетчика 12изменяется на противоположный. что изменяет и выходную частоту ББЧ 13 на дру .Поэтому сбои и неустойчивая пэбо э хустраняются полностью.Умножитель 5 (фиг, 2 а):,о г :перемножение кода фазного;о л,ветствующую аналоговую выборкнапряжения путем совместного фу;гционирования АЦП 31 и ЦАП 32 Сии,ронизация умножителя 5 происхоДит по е оуправляющему входу,БВЧ 13 (фиг. 2 б) производит делених раз счетчиком 33 входной пгслсдов.г.,ности импульсов частоты 11 у. фэ рл 1 ровэна выходах логических элементов 2 И; : :136 сигналов частоты 14 у или Х 5, соотп".: с т.е оно в зависимости от уровня сигнал вь:борачастоты на входе инвертора 34, и далеевыдачу на выход управляющих импул,с,:через элемент 2 ИЛИ 37. Импульсои на сде сброса БВЧ 13, проходящим через эамент 38 на вход сброса счетчика 3:производится синхронизация данного бэка.Рассмотрим работу БФЗИ 14 (фиг 2 гСигнал сброса устанавливает счетчики О41 в.нулевое состояние. После этого ы г,.ходе счетчика 40 с предварптельнв. Ус-;новкой формируется импульс, поступа 1 ощийна счетный вход счетчика 41 распределителя импульсов и с некоторой задержкой - навход записи счетчика 40, В результате этогосчетчик 40 предустанавливается в состояние 20. Каждый импульс, поступающий насчетный вход счетчика 40, вызывает вычитание единицы из числа, записанного в ходепредварительной установки. При достижении нуля на выходе переноса счетчика 40 спредварительной установкой вновь появляется импульс, в результате чего на следующем по старшинству выходе счетчика 41распределителя импульсов появляется сигнал логической единицы, и счетчик 40 предустанавливается в состояние 2 . Далеепроцесс повторяется до тех пор, пока навходы сброса счетчиков 40 и 41 не поступитследующий импульс, который устанавливает их в нулевое состояние.Таким образом, каждый импульс с выхода делителя 23 частоты, поступающий черезэлемент 20 задержки на вход сброса БФЗИ 514, вызывает появление серии импульсов навыходе последнего, При этом временныеинтервалы между моментом сброса БФЗИ14 и каждым следующим импульсом, появляющимся на его выходе, удваиваются. 10На фиг. 3 а, б, в, г представлены временные диаграммы сигналов на тактовом входеБФЗИ 14, на выходе БФЗИ 14, на выходеделителя 23 частоты и на выходе элемента20 задержки соответственно, Число импульсов, поступивших из БФЗИ 14 в счетчик 17за интервал времени между двумя импульсами сброса на их входах сброса, представляют собой число Мг, которое далеезаписывается в Е-ю ячейку многоцелевого 20регистра 18, определяя значения коэффициентов К 4.р и К 25.р для соответствующей фазы.На фиг. 4 изображена зависимость числа МР от периода выходного сигнала делителя частоты. Как видно из графика,благодаря функционированию блока выбора частоты характеристика имеет гистерезис для каждого значения Мр, что повышаетнадежность и точность устройства из-за отсутствия ложных срабатываний схемы. Нафиг, 4 То - минимальное пороговое значение периода выходного сигнала делителячастоты.Таким образом, в устройстве повышена 35точность измерения,Измерение электроэнергии многофазной сети в предлагаемом цифровом измерителе электроэнергии достигается безраспараллеливания структурной схемы по 40числу фаз исследуемой сети, что привело бык увеличению аппаратурных затрат. Применение введенных цифровых узлов позволяет путем быстродействующего опроса всехфаз измерять суммарную электроэнергию 45сети, при этом синхронизация умножителяи преобразователя напряжения в код позволяет исключить влияние коммутационныхвыбросов на точность устройства. Быстродействующий выбор коэффициентов передачи масштабного преобразователя иуправляемых делителей частоты отдельнопо каждой фазе дает возможность с высокойточностью измерять пофазную энергию, Построение большинства блоков на базе цифровых элементов позволяет принеобходимости перевести данную структуру на БИС, так как аналоговые регулировкии подстройки при реализации устройствапрактически отсутствуют, Использование изобретения позволяет повысить точность измерения ио сравнению с известными многофазными счетчиками электроэнергии за счет того, что независимо от величин токов в каждой из и фаз (которые в общем случае могут и существенно отличаться друг от друга) умножитель 5 в предлагаемом цифровом измерителе работает на узком линейном участке своей рабочей характеристики, не превышающем трех (фиг, 5, где 42 и 43 - идеальная и реальная рабочие характеристики умножителя): Н мн0 умн 5 О умн 5 = СОИЫ.вх 1При М 7ве полный динанения токов по 7 в предлагаемом устрой ический диапазон Нр изм аждой из фаз составляет у вх= 384 х 2мн 5 и)О мн 5, О 1 мн 5 - СИГНаЛЫ На ПЕРВОМ И ВтОвх 1 вх 2ром входах умножителя, пропорциональные фазным напряжению и току)с погрешностью у, определяемой на Нр = 3, В то же время в прототипе для достижения такого же диапазона умножитель должен работать в диапазоне унНг = 3, что неизбежно приводит к увеличению его мультипликативной погрешности и возрастанию погрешностей нелинейности и, следовательно, к снижению точности, 8 известных многофазных счетчиках электроэнергии по этим же причинам достижение высокой точности затруднено из-за неидеальности рабочих характеристик умножителей (фиг. 5),Формул а и зоб ретен и я 1, Цифровой измеритель электрической энергии многофазной сети, содержащий и трансформаторов напряжения, и трэнсфор маторов тока, умножитель и ключ, причем выходы и трансформаторов тока и и трансформаторов напряжения соединены с информационными входами ключа, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены масштабный преобразователь, управляемый делитель частоты, блок индикации, второй и третий ключи, преобразователь напряжения в код, комбинационный сумматор, два многоцелевых регистра, генератор, четыре счетчика, блок выбора частоты, блок формирования заполняющих импульсов, логический элемент 2 И, два логических элемента 2 И-НЕ, дешифратор, элемент задержки, 13 16474435 10 20 25 30 35 40 45 50 55 1-входовой логический элемент )И-НЕ, делитель частоты, и управляемых делителей частоты, и регистров, и дифференцирующих цепей и и-входовой логический элемент и- ИЛИ, причем первый выход первого ключа подключен к первому входу умножителя, а второй его выход через масштабный преобразователь - к второму входу умножителя, выход которого через преобразователь напряжения в код соединен с вторым входом комбинационного сумматора, который выходом подключен к входу первого многоцелевого регистра, а первым входом - к первому выходу первого многоцелевого регистра, выход генератора соединен с.входом записи первого многоцелевого регистра и с тактовым входом блока выбора частоты, через второй счетчик - с входами адреса записи и второго адреса считывания второго многоцелевого регистра и с управляющим входом третьего ключа, а также непосредственно с входом первого счетчика, первый выход которого подключен к управляющим входам умножителя и преобразователя напряжения в код, а второй выход - к управляющим входам первого и второго ключей и входам первого адреса считывания первого и второго многоцелевых регистров и к входу адреса записи первого многоцелевого регистра, выход блока выбора частоты через блок формирования заполняющих импульсов подключен к второму входу логического элемента 2 И, вь 1 ход которого через четвертый счетчик соединен с входом второго многоцелевого регистра и с входом логического элемента )И-НЕ, который выходом подключен к первым входам логического элемента 2 И, первого и второго логических элементов 2 И-НЕ, первый выход второго многоцелевого регистра через дешифратор соединен с управляющим входом масштабного преобразователя, а ега второй выход через и регистров - с управляющими входами и управляемых делителей частоты соответственно. младший разряд второго выхода второго многоцелевого регистра через третий счетчик подключен к входу выбора частоты блока выбора частоты выход переноса комбинационного сумматора соединен с входом второго ключа, выхаиы которого через и управляемых делителей частоты и через и дифференцирующих цепей соединены с входами логического элемента и ИЛИ соответственно, выход которого соединен с входом блока индикации, выходы и управляемых делителей частоты подключены к соответствующим и первым входам третьего ключа, первый выход которого через делитель частоты и элемент задержки соединен с входами сброса блока выбора частоты, блока формирования заполняющих импульсов и четвертого счетчика, выход делителя частоты также соединен с вторым входом первого логического элемента 2 И-НЕ, выход которого подключен к второму входу второго логического элемента 2 И-НЕ, выход которого соединен с входом записи второго многоцелевого регистра и с (и+1)-м входом третьего ключа, выходы которого с второго по (и+1)-й подключены к входам записи регистров с первого по и-й соответственно.2. Измеритель па и, 1, а т л и ч а ю щ и йс я тем, чта блок ыбара частов содержит пятый счетчик, инвертар, второй логический элемент 2 И, логический элеменпг ЗИ и двэ логических элемента 2 ИЛИ, причем тактовый вход блока выбора частоты падключсн к счетному входу пятого счетч 11 ка, первый выход которого соединен с первыми входами второго логического элемен га 211 н лагического элемента ЗИ, выходы которых подключены к перваму и второму входам первого логического элемента 2 ИЛИ, который выходом подключен к выходу бла:а выбора частоты и к первому входу в;ара;а логического элемента 2 ИЛИ, второй вход которого соединен с входом сброса блока выбора частоты, а выход - с входом сброса пятого счетчика, вход выбора частаты блока выбора частоты подключен через инвертор к второму входу второго лагическага элемента 2 И и непосредственна - к третьему входу элемента ЗИ, второй вход которого соединен с вторым выходом пятага счетчика.3, Измеритель па п. 1, о т л и ч а ю щ и ис я тем, что блок формирования заполняющих импульсов содержит второй элемент задержки, счетчик с предварительной установкой и счетчик-распределитель и,".1 пульсов, причем тактовый вхац блока формирования заполняющих импульсов подключен к счетному входу счетчика с предварительной установкой, вход сброса которого соединен с входами сброса счетчика-распределителя импульсов и блока формирования заполняющих импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика-распределителя импульсов, с выходом переноса счетчика с предварительной установкой и через второй элемент задержки -с входом записи счетчика с предварительной установкой, вход предустановки которого подключен к выходу счетчика-распределителя импульсов.