Запишем выражение (12(в общем виде
2 УД (((6,„)((6„) Z 1(1() 1(«,1
»44> Е=>
<(-(), :; .о,„,.(1 (Ы ») Ь е1 («)
m) е+(-(l Z . а „>0 " {о(,1 Ьд.1 ("»)+
z - е.<
° (-(1",,",» а, U ™М Ьд > 1 ("»11 ил>л, е4 ZZ(((»65)>)((<6 <)., >((»< »1 1(«»11 н>»В+ 2, . ((K)
„1»Я 3 р4 где 8$, ю, - полные суммы, соответствующие второму, третьему; четвертому и пятому слагаемым в квадрат(;ыи скобках выражения (1 3).
Сравнение окончательного выражения для P„устройства-прототйпа и выражения (14) показывает, что при непериодических или резкопеременных сигналах в прототипе возникает дойолнительйая методическая погрешность )|д.
Уд — CP,+0 +O . (1 5)
Если же сигналы периодические, то . уд=0 и выражение (14) аналогично соответсвующей формуле в (3), В этом случае. из общей нелинейной составляющей погрешности остаются только комбинации О с нечетными коэффициентами ряда Маклорена, а остальные комбинации, содержащие хотя бы один четный член ряда, полностью компенсируются (это касается е, 0 -, 8$.
Тогда результирующее значение измеряемой мощности в устройстве-прототипе.. которое определяется как 55 среднеарифметйческая величина модулей двух циклов измерений и двух циклов обработки, оп4редегяется при резкопеременных или непериодических сигналах выражением
Таким образом, известный цифровой измеритель активной мощности при непериодических и резкоперемейных сигналах обладает невысокой точностью, так как погрешность )|д скомпенсировать не удается.
Причем эта погрешность тем су@ественне, чем больше различаются величины в выражениях (5) и (6).
1749842
Кроме того, данное устройство имеет недостаточно высокое быстродействие, так как полная компенсация погрешностей и получение суммарного результата получается за четыре цикла, длительность, каждого 5 из которых равна р Тх. В лучшем случае при
Р=1.эта составляет три-четыре периода сети (первые два периода — измерение, и одиндва периода — обработка). Причем на третьем и четвертом цикле сигналы и,.10 следовательно, текущая мощность вообще не измеряются, что при непериодических сигналах недопустимо, Целью изобретения является повышение точности и быстродействия при измере- 15 нии электроэнергии непериодических и периодических колебаний, а также сигHG" лов, изменяющйхся во времени.
Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель электрической 20 энергии, содержащий входные преобразователи напряжения и тока, первый и второй инверторы, коммутатор, первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой перемножающий блок, накапли- 25 вающий сумматор, блок выбора диапазона, блок управления и индикатор, причем сигнальные входы входных преобразователей напряжения и тока подключены к шинам входных напряжений и тока, а их управляю- 30 щие входь1 подключены cooTBGTcTHBHHQ к первому и второму выходу блока выбора диапазона, выходы входных преобразователей напряжения и тока соединены с первым и вторым входами блока выбора 35 диапазона соответственно, третий выход которого подключен к первому управляющему входу индикатора, выход первого инвертора соединеи с вторым входом коммутатора, первый и второй выходы кото- 40 рого подключены к перваму и второму входам блока управления и через первый и второй АЦП соединены с первым и вторым входами цифрового перемножающего блока соответственно, выход которого 45 подключен к входу накапливающего сумматора, который выходом соединен с входом индикатора, первый и второй выхоДи блока управления подключены к второму управляющему входу аналого- 50 цифровых преобразователей и к второму управляющему входу индикатора соответственно, выходи "Завершение преобразования" первого и второго АЦП саединены с че;вертым и пятым входами блока управле- 55 ния, первая и вторая группы выходов которого подключены к управляющим входам цифравага перемножающего блока и накапливающего сумматора соответственно, введены два блока вь1борки и хранения, генератор, счетчик, логический элемент 2
ИЛИ-НЕ и формирователь, причем выход входного преобразователя напряжения через первый блок выборки и хранения подключен к первому и третьему входам коммутатора и к входу первого инвертора, который выходам соединен с четвертым входом коммутатора, выход входного преобразователя тока подключен через второй блок выборки и хранения к пятому и восьмому входам коммутатора и к входу второго инвертора, который выходом соединен с шестым и седьмым входами коммутатора, выход генератора подключен к третьему входу блока управления, к первым управляющим входам первого и второго АЦП и к счетному входу счетчика, который выходом соединен с управляющим входом коммутатора и через логический элемент 2 ИЛИ-НЕ и формирователь — с управляющими входами первого и второго блоков выборки и хранения, Введение первого и второго блоков выборки и хранения и соответствующих им новых связей позволяет фиксировать выборки напря>кения и тока на каждые четыре такта работы АЦП, давая возможность реализовать за это время полное четырехтактное коммутационное инвертирование.
Поэтому методическая погрешность уд равна нулю при любых формах и характере изменения входных сигналов, Применение этих блоков позволило также избавиться от более сложных цифровых блоков оперативной памяти.
Крбме того, удается существенно повысить быстродействие, так как для реализа- ции четырех циклов для устранения погрешности в прототипе требуется время
4хрхТх (где р — целое число, Тх — период входных сигHBfloa), в то время как в предлагаемом устройстве это время равно четырем тактам работы АЦП. При р=1 быстродействие в предлагаемом устройстве повыщается в и раз (где и — число выборок АЦП за один период входных сигналов). Если же р>1 то быстродействие удается повысить в (р и) раз. Следует особо отметить, что если в прототипе на третьем и четвертом цикле измерение текущей мощности вообще не производится, то в предполагаемом устройСтве измерение происходит непрерывно, и поэтому любые изменения формы сигналов . учитываются полностью.
Введение генератора, счетчика, элемента 2 ИЛИ-HE и формирователя позволяет организовать управление работой предлагаемого устройства, При этом отпадает необходимость использования блока
1749842
10 выделения периода и делителя периода при измерении электроэнергии, так как выборки
АЦП тока и напряжения могут быть не синхронизированы с периодом сети.
Введенные в устройство в функциональные блоки и элементы являются типовыми узлами измерительной и вычислительной техники. Однако их использование в совокупности с новыми связями является новым, не встречается в известной технической литературе и позволяет достичь поставленную цель — повышение точности и быстродействия.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого цифрового измерителя электрической энергии.
Цифровой измеритель электрической энергии содержит входной преобразователь 1 напряжения, входной преобразователь 2 тока, шину 3 входного напряжения, шину 4 входного тока, первый и второй блоки 5 и 6 выборки и хранения, первый и второй инверторы 7 и 8, коммутатор 9, первый и второй АЦП 10 и 11, цифровой перемножающий блок 12, накапливающий сумматор
13, блок 14 выбора диапазона, генератор 15, счетчик 16, логический элемент 2 ИЛИ-НЕ
17. формирователь 18, блок 19 управления и индикатор 20, Шина 3 входного напряжения через входной преобразователь 1 напряжения и первый 5 блок выборки и хранения 3 подключена к первому и третьему входам коммутатора 9 и к входу первого инвертора 7, который выходом соединен с вторым и четвертым входами коммутатора 9. Шина 4 входного тока через входной. преобразователь 2 тока и второй блок 6 выборки и хранения подключена к пятому и восьмому входам коммутатора 9 и к входу второго инвертора 8, который выходом соединен с шестым и седьмым входами коммутатора 9.
Первый и второй выходы последнего соединены с первым и вторым входами блока 19 управления и через первый АЦП 10 и второй
АЦП 11 подключены к первому и второму входам цифрового перемножающего блока
12 соответственно, выход которго через накапливающий сумматор 13 соединен с входом индикатора 20. Выходы входного преобразователя 1 напряжения и входного преобразователя 2 тока подключены к ïåðвому и второму входам блока 14 выбора диапазона. Первый, второй и третий выходы блока 14 выбора диапазона подключены к управляющим входам входного преобразователя 1 напряжения, входного преобразователя 2 тока и к первому управляющему входу индикатора 20 соответственно. Первый и второй выходы блока 19 управления такта переключения коммутатора и соот1 ветствующее им аналого-цифровое преобразование этих сигналов в первом и втором АЦП 10 и 11. Входные напряжение
55 и ток с шины 3 входного напряженил и с шины 4 входного тока поступают на входы входных преобразователей 1 напряжения и тока,. где преобразуются в низковольтные измерительные сигналы. Далее они поступают на входы первого и второго блоков 5 и
50 соединены соответственно с вторыми управляющими входами первого АЦП 10 и второго АЦП 11 и с вторым управляющим входом индикатора 20. Выходы "Завершение преобразования" первого АЦП 10 и второго АЦП 11 подключены к чегвертому и пятому входам блока 19 управления, первая и вторая группы выходов которого соединены с управляющими входами цифрового перемножающего блока 12 и накапливающего сумматора 13, Выход генератора 15 подключен к третьему входу блока 19 управления, к первым управляющим входам первого АЦП
10 и второго АЦП 11 и к счетному входу счетчика 16, Выход последнего соединен с управляющим входом коммутатора 9 и через логический элемент 2 ИЛИ-НЕ 17 и формирователь 18 — с управляющими входами первого и второго блоков 5 и 6 выборки и хранения.
Устройство работает следующим образом, Работа устройства синхронизирована генератором 15, период выходных импульсов которого определяет длительность такта работы устройства. Время такта определяется длительностью аналого-цифрового преобразования информации в первом и втором АЦП 10 и 11, которые запускаются выходными импульсами генератора 15, поступающими на их первый управллющий вход, Выходной код счетчик" 16 изменяется с частотой импульсов генератора 15 и определяет скорость потактового переключения коммутатора 9
При изменении младших разрядов выходного кода счетчика 16 из состояния (11) в состояние {00) на выходе элемента 2 ИЛИНЕ появляетсл сигнал логической единицы.
По положительному фронту этого сигнала на выходе формирователл 18 вырабатывается короткий единичный импульс, поступающий далее на управляющие входы первого и второго блоков 5 и 6 выборки и хранения и on ределл ющий шаг дискретизации входных сигналов, Таким образом, за один интервал времени между соседнйми выборками входных сигналов первым и вторым блоками 5 и 6 выборки и хранения происходит четыре
1749842
6 выборки и хранения, выборка которых осуществляется циклически один раз за четыре такта. Поэтому с момента выборки в течение последующих четырех тактов выходные сигналы первого и второго блоков 5 и 6 остаются постоянными.
«
На первом такте измерений эти зафиксированные сигналы напряжения К1 U(t) и тока 1"z l(t) в определенном масштабе подаются на входы АЙ,П первого и второго 10 и
11 через первый и пятый входы коммутатора
9 соответственно. Одновременно указанные сигналы подаются на первый и второй входы блока 19 управления. В зависимости от знака этих сигналов и номера такта измерения блок 19 управления изменяет режим работы накапливающего сумматора 13, переводя его в режим суммирования или вычитания.
Управляющим импульсом генератора l5 через первые управляющие входы запуска)отся первый и второй АЦП 10 и 11 напряженил и тока. По приходу сигналов готовности обоих АЦП на четвертый и пятый входы блока 19 управления последний через йервую группу выходов формирует управляющие импульсы, которыми выходные коды напряжения и тока с выходов первого и второго АЦП 10 и 11 соответственно перезаписыва)отся во входные регистры цифрового перемножающего блока 12. После этого сигналом блока 19 управления через его первый выход производится сброс первого и второго АЦП 10 и 11. Результат перемножения записывается в выходном регистре цифрового перемножающего блока 12.
Далее блок 19 управления вырабатывает через вторую группу выходов управляющий сигнал, и результат перемножения перезаписывается в накапливающий сумматор 13. При этом в последнем формируется результат, определяемый суммой ранее накопленной величины, поступившим на вход кодом мгновенной мощности. В сумматоре 13 происходит суммирование произведений напряжения. и тока с одинаковыми знаками и вычитание произведений выборок с противоположными знаками, Выход- ной сигнал накапливающего сумматора 13 поступает на индикатор 20, который под управлением сигнала на втором выходе блока
19 управления отображает общее количества электроэнергии, . После прихода следующего выходного импульса генератора 15 под управлением выходного кОда счетчика 16 замыка)отся второй и шестой ключи коммутатора 9, начинается второй такт измерений. При этом на вход r„epsoro АЦП 10 напряжения пода(2 )) ется напряжение (-К U(t)), а на вход второго
АЦП 12 тока — сигнал, пропорциональный току (-К2 l(t)J. Дальнейший порядок работы блоков устройства полностью аналогичен
5 первому такту за исключением того, что в накапливающем сумматоре произведений выборок, знаки которых противоположны, и вычитание произведений выборок, знаки которых одинаковы.
10 На третьем и четвертом тактах измерения происходит суммирование произведенийй кодов сигналов К1 U(t) и (-К1 l(t)), а также (-К1 U(t)) и (-К2 1()) соответственно. При этом порядок суммирования произведений на
15 третьем и четвертом тактах аналогичен порядку суммирования на втором и первом тактах.
В остальном работа блоков предлагаемого устройства остается прежней. Блок 14
20 выбора диапазона управляет коэффициентами передачи входных преобразователей 1 и 2 напряжение и тока и корректирует в соответствии с этим результат на индикаторе 20, 25 После выполнения четырех тактов происходит следующая выборка и запоминание входных мгновенных значений. сигналов первым и вторым блоками 5 и 6 выборки и хранения, после чего весь процесс цикличе30 ски повторяется. Полный цикл коррекции погрешностей производится над фиксированными значениями входных сигналов, поэтому условия (5) и (6) теряют силу, так как
35 ак =а к =ак при любой форме и характере изменения входных сигналов. Поэтому, заменяя ак на ак в выражениях (1) и (2) пол1 учаем формулы эквивалвнтов мгновенных значений напряжения и тока в предлагае40 мом устройстве
U (а )=0о+(1+ д,) 0(а )+а2 U (ак)+ " ...+an U "(QK); (16)
1 (à..)=)о+(1+ дз)) ((a )+bz! (а,)+ ..., +Ьп l (ак).. (17)
45 Таким образом, результаты преобразования на первом, втором, третьем и четвертом тактах преобразования предлагаемого цифрового измерителя электрической энерi / Ф гии Р1, Р2, Рз и Р4 записываются соответст50 венно выражениям
),-{f.a,-,„)()4„-1))(ы„11(ы.„1.() h,-„l I,))(ы„1.
+() 8 Д.)),!(К4)),I,49, j (18) ((1+ sul{i м1 ()(ы Щы.1-(„1, °
«U{aai)-(» îsj )(), T(at ) U,1,+О .
Р,-()43s){)+8sälО(at„ ) Y(aa„l-()" jul (o
«U(a «)+1)+411))О (Ы.)-Uata э j (Zg)
, =()81(а„1()(ы,)цы.) «a,.li.
"Ц (ы«) ()+ У1))4 Х(ы«)- иа 14 - 04 У
Че 0,=(),Ь,1 (at.l (), Ь,.t (Û,)4à,u(aaÄl
IЗ
1749842 («»)хо, 4(«») Ь> 1 Io,) а U («)1+
+a,U («Äl Ь, 1(«„l.a.U (.„l Ъ,1 (,„) „ .ог0 (" ) bsls(«х) о (Р(«х)1, sa Us(«Ä)»
»Ь,1(«)ха,0 («,l Ь, I («,l оф(«»)»
Ь31 («х) - ) ссg=U, Ь, I (сс,)-U Ь> 1 («„)-g,U(g„}
»Ь,1 («х) o,U(«il Ьз1 (c4»)а, Осf«„)1,-a,U («„l.Ь 1(«.) о, 0 («„)-Ь, I )«„)ос0 («i) >1 («„l-ох 0 (à .).1, о, U («,)»
Ь 1(«.)-оsU («„) b, I («„).о, 0 («„) „
bs I («Ä) - »
9,.0, Ь, 1 («„l-U. Ь»1 («.) а, 0(ec„l b, 1 («„)-а, О(«,) Ьз I («х)+о U (с»„) I, -о Uo(«.) Ь,I(«„l а,0 («,) Ь, I («„)-о,0 (oo»).Ьу1 («„)+as U («х)
-ОуU (О х).Ь, 1(с4к) i as 0 (схх) b»1 («»)a "(,„lb»I (х)
e„=U;b,1 («,) U, b, 1 („)-а, U(oIÄ). .Ь,1 {«,)-о, U(«„l bs I («.)са,:0 (.,)»
»I„+ a,г0 (« ) Ъ 1(«.)х aQ («х) Б »
° 1 (« Ä) i о, 0 («.) Ь, Is («,) - а, 0 («Ä) °
»1;о, U («») Ь, 1(<»)-о, 0 («х) Ь, 1 («х)(«х) Ьх 1 («х)+ " М) (22) (23) (24) Так как на протяжении интервала между выборками входных сигналов результаты четырех тактов суммируются в накапливающем сумматоре 13, то в результате за один шаг дискретизации имеем скорректированное значение мгновенной мощности.
3 4
>а- (3ьв)(r 8„) 0(«Ä) 1<«")«jo U(;)
ЬгlsÚ»)+ а, 0з(м,) Ъ,1 (« „) .о, 0з(х» ) ,1з (,„), или
Р -4(<+ Бьи)(Н ы) 0(«х) 1(о,)+
+0а, . 2т-,0 («„l Ъ,е-г («»)
»л! f ° с хл62 (л)
Дальнейшее суммирование выражения (27) во времени позволяет измерять активную электроэнергию электрической сети при любых изменяющихся входных сигналах. Таким образом, использование изобретения по сравнению с известным позволяет повысить точность измерения электроэнергии при резкопеременных-и непериодических сигналах, переходных процессах и т.n., а ".акже повысить .быстродействие. Повышение точности происходит в предлагаемом цифровом измерителе электрической энергии за счет того, что независимо от характера входных сигналов методическая погрешность ц прототипа полностью компенсируется. Быстродействие предлагаемого устройства выше, так как эта компенсация составляющей уд происходит всего за четыре такта работы АЦП (интервал между двумя соседними выборками сигналов) согласно выражению (27), в то время как известное устройство выполняет эту коррекцию (и только для периодических сигналов) за время 4 р Тх, где Тх — период
10 входных сигналов. Таким образом; если в известном количество выборок за период равна и, то быстродействие повышается в р.. п раз.
Основные узлы и блоки предлагаемого
15 устроиства могут быть реализованы следующим образом.
Входные преобразователя 1 и 2 напряжения и тока выполняются в виде трансфор20 маторов с переключением пределов или на микросхемах КР140УД8А и КР590КНЗ, первый и второй блоки 5 и 6 выборки и хранения — на микросхемах КР590КНЗ, КР140УДОА и конденсаторах, первый и второй инперторы
7 и 8 — на КР140УДОА, коммутатор 9 — на
КР590К)-)З, первый и второй АЦП 10 и 11 реализуются на микросхемах К594ПА1, КР155ИР17, КР554САЗА и КР140УД8А, цифровой перемножающий блок 12 — на микросхемах К588ВР2, К1802ВР2 или KF1802BP5, 30 накапливающий сумматор 13 — на микросхемах К588ИР1, КР561ИР9 и К561ИМ1. Генератор 15, счетчик 16, элемент 17 2 ИЛИ-HE и формирователь 18 выполнены на микросхемах 561Л Н2, 561 И Е10, 561Л Ё5 и 561ЛН2 соответственно, индикатор — на КР558ХП1, КР514ИД2, блок управления — на простейших логических элементах или однокристальной микро Э В У 1816В Е51.
По предлагаемому техническому решению реализован макет цифрового измерителя электрической энергии класса 0,05, который предполагается использовать для проверки в качестве образцового устройства в системах учета электроэнергии, выпускаемых заводом ВЗЭТ {г. Вильнсос), Формула изобретения
Цифровой измеритель электрической энергии, содержащий входные преобразователи напряжения и тока, шины входного напряжения и тока, первый и второй инвер. торы, коммутатор, первый и второй аналогоцифровые преобразователи, -цифровой перемно>кающий блок, накапливающий сумматор, блок выбора диапазона, блок управления и индикатор, причем сигнальные входы входных преобразователей напряженйя и тока подключены к шинам входных напряжений и тока, а их управляющие входы подключены соответственно к первому и
1749842
span.
Составитель И, Лбложявичус
Редактор И. Ванюшкина Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор B. Гирняк
Заказ 2594 . Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CCCP
113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 второму выходам блока выбора диапазона, . выходы входных преобразователей напряжения и тока соединены с первым и вторым входами блока выбора диапазона соответственно, третий выход которого подключен к первому управляющему входу индикатора, выход первого инвертора соединен с первым входом коммутатора; первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам блока управления и через первый и второй аналого-цифровые преобразователи соединены с первым и вторым входами цифрового перемножающего блока соответственно, выход которого подключен к входу накапливающего сумматора; который выходом соединен с входом индикатора, первый и второй выходы блока управления подключены к вторым управляющим входам аналого-цифровых преобразователей и к второму управляющему входу индикатора соответственно, выходы "Завершение преобразования" первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены с четвертым и пятым входами блока управления, первая и вторая группы выходов которого подключены к управляющим входам цифрового перемножающего блока и накапливающего сумматора соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него введены два блока выборки и хранения, генератор, счетчик, логический злемент 2 ИЛИ-HE и формирователь, а коммутатор выполнен двухканальным, причем выход входного преобразователя напряже-ния через первый блок выборки и хранения подключен к второму и третьему входам коммутатора и к входу первого инвертора, который выходом соединен с четвертым входом коммутатора, выход входного преобразователя тока подключен через второй блок выборки и хранения к пятому и восьмому входам коммутатора и к входу второго инвертора, который выходом соединен с шестым и седьмым входами коммутатора, выход генератора подключен к третьему входу блока управления, к первым управляющим входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей и к счетному входу счетчика, который выхо дом соединен с управляющим входом коммутатора и через логический элемент 2
ИЛИ-НЕ и формирователь — с Управляющими входами первого и второго блоков выборки и хранения.
