Многомерный статистический анализатор сглаженной эффективной мощности нагрузки

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)5 G 06 F 15/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 4945727/24 (22) 17.06.91 (46) 23,08.93. Бюл. N. 31 (71) Новочеркасский политехнический институт им.С.Орджоникидзе (72) В.Ф.Ермаков (73) В,Ф.Ермаков (56) Авторское свидетельство СССР

N 1012272, кл. 0 06 F 15/36, 1981.

Авторское свидетельство СССР

N. 1233171, кл. G 06 F 15/36, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N. 1730641, кл. G 06 F 15/36, 1988 (прототип). (54) МНОГОМЕРНЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗАТОР СГЛАЖЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ

Предлагаемое устройство относится к области автоматизации обследования электрических нагрузок промышленных предприятий и предназначено для получения семейства гистограмм эффективной мощности нагрузки, сглаженной инерционными звеньями первого порядка с различными постоянными времени.

Цель предполагаемого изобретения— расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения класса решаемых задач, а также повышение его точности при обследовании электрических нагрузок промышленных предприятий, Цель достигается тем, что в многомерный статистический анализатор мощности нагрузки, содержащий импульсный датчик текущей мощности нагрузки. вход которого является входом анализатора, а выход соединен с тактовым входом первого счетчика... Ж„„1836692 А3

-(57) Изобретение относится к областям автоматизации обследования электрических нагрузок промышленных предприятий и может быть использовано для получения гистограмм эффективной мощности нагрузки..

Цель изобретения — повышение точности.

Анализатор содержит импульсный датчик текущей мощности нагрузки, счетчик, блоки памяти, реверсивный счетчик, однавибраторы, регистры, накапливающий сумматор, элемент И-НЕ, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, блок извлечения квадратного корня, коммутатор, группу инерционных звеньев и генераторы прямоугольных импульсов. 6 ил. выход которого соединен с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, первый одновибратор, прямой выход KoToporo спединен с установочным входом накапливающего сумматора, а инверсный — со входом записи реверсивного счетчика и входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с прогрессивным входом реверсивного счетчика и входом третьего одновибратора, инверсный выход которого соединен са входом записи первого блока памяти, а прямой — с инверсным входом четвертого одновибратора и входом записи первого регистра, выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика, выход которого соединен с адресным входом первого блока памяти и информационным входом первого регистра, первый кварцевый генератор прямоугаль1836692 ных импульсов, выход которого соединен с тактовым входам второго счетчика и входом пятого адновибратора, выход которого соединен са входом синхронизации накапливающего сумматора и через шестой однавибратор связан с регрессивным Входом реверсивного счетчика, выход второго счетчика через первый элемент (Л вЂ” HF соединен с инверсным входом седьмого однооибратора, выход кбторого соединен с установочным входом второго счетчика и тактовым входам третьего счетчика, второй блок памяти, дополнительно введены второй кварцевый генератор прямоугольных импульсов. четвертый счетчик, аналогоцифровой и цифроаналоговый преобразователи, квадратор и блок извлечения квадратного карня, коммутатор, группа инерционных звеньев, второй регистр, восьмой и девятый однаоибратары, причем выход старшего разряда третьего счетчика через восьмой Одновибратор соединен с иноерсным входом первого одиовибратора и входам записи второго регистра, информационный вход которого подклю (ен к выходу накаплива(ощега сумматора, а выхадсаединен с информационным входом цифроаналогового. преобразователя, оыход которого через квадратор соединен с абьединенными входами группы инерционных звеньев, выходы которых соединены с соатоетстоу(ощими информационными входами коммутатора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с информаци. онным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым адресным входом BToporo блока rlaмяти. вход записи которого через девятый одновибратор падкл(ачен к выходу второго кварцевого генератора прямоугольных импульсон, соязанному с TBKToB(IM Входам четвертого счетчика, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора и вторым адресным ВхОДОм отарОГО блока памяти.

Существенными отличиями предлагаеМОГО техническОГО решения явля(атся использование о схеме анализатора новых элементов (второго кварцевого генератора прямоугольных импульсов, четвертого счетчика, аналого-цифравага и цифроаналогового преобразователей. коадратара и блока извлечения квадратного карня, коммутатора, группь(инерционных эвеньеь, второго регистра, восьмого и девятого однавибратоpos), и органиэация связей между новыми элементами, а также между новыми и старыми элементами. Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительнога эффекта; 1) расширение функциональных возможностей анализатора эа счет расширения класса решаемых задач. а именно, эа счет получения семейства гистограмм сглаженной эффективной мощности нагрузки — величины. которая пропорциональна температуре нагрева такопроводао с различным поперечным сечением и, следовательно, различной постоянно-(времени нагрева; 2) повышение точности анализатора при обследовании электрических нагрузок промышленных предприятий с целью использования ега информации для определения расчетной мощности по нагреву (см. (5)).

На фиг,1 представлена структурная схема анализатора; на фиг,2 приведены Графики измеряемых и вычисляамых величин; на фиг,З изображена схема датчика усредненной мощности нагрузки, чертежами на фиг,4,5 иллюстрируется рабата датчика усредненной мощности нагрузки; на фиг.б— место определения расчетной нагрузки по получаемой анализатором информации, Анализатор содержит датчик 1 усредненной мощности нагрузки gVM), вход котарога является входом анализатора, а выход через коадратор 2 соединен с абьединенными входами группы инерционных звеньев (ИЗ) 3-4 первого порядка с различными постоянными орсмени, ВыхОды которых соединены с соответствующими информационными входами коммутатора 5, выход которою чере" последовательно соединенные устройство 6 для извлечения квадратного корня и аналога-цифровой преобразователь (АЦП) 7 соединен с первым адресным входом второго блока 8 памяти (БП), второй адресный вход которого объединен с управляющим входом коммутатора

5 и подкл(ачен к Выходу четвертого счетчика

9, тактовый Вход которого обьединен со входом деоятага одновибратора 10 и падкл(очен к выходу второго кварцевого генератора

11 прямоугольных импульсоо(ГПИ), инверсный выход аднаоибратора 10 соединен са входом записи БП 8;

Датчик 1 усредненной мощности нагрузки (см, фиг.З) содержит импульсный датчик 12 текущей мощности нагрузки (ИДТМ), вход которого является входам датчика ДУМ

1, а выход соединен с тактовым входом первого счетчика 13, выход которого соединен с информационным входом первого БП 14, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора 15, выход которого через последовательна соединенные второй регистр 1b и цифроаналоговый преобразователь(ЦАП) 17 соединен с выходом рУМ 1, первый Одновибратор 18, прямой вь(хад которого соединен с устано2836692

55 вочным входом накапливающего сумматора

15, а инверсный — со входом записи реверсивного счетчика 19 и входом второго одновибратора 20. инверсный выход которого соединен с прогрессивным входом реверсивного счетчика 19 и входом третьего одноеибратора 21, инверсный выход которого соединен со входом записи первого БП 14, а прямой — с инверсным входом четвертого одновибратора 22 и входом записи первого регистра 23, выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика 19, выход которого соединен с адресным входом первого БП 14 и информационным входом первого регистра 23, первый кварцевый ГПИ 24. выход которого соединен с тактовйм входом второго счетчика 25 и входом пятого одновибратора, выход которого соединен со входом синхронизации накапливающего сумматора 15 и через шестой одновибратор 27 связан с регрессивным входом реверсивного счетчика 19. выход четвертого одновибратора 22 соединен с установочным входом первого счетчика 13, выход второго счетчика 25 через первый элемент И-НЕ 28 соединен с инверсным входом седьмого одновибратора 29, прямой выход которого соединен с установочным входом второго счетчика 25 и тактовым входом третьего счетчика 30, выход старшего разряда которого через восьмой одноеибратор 31 соединен с инверсным входом первого одновибратора

18 и входом записи второго регистра 16.

Накапливающий сумматор 15 (см. фиг.3) включает сумматор 32, первый вход которого подключен к информационному входу накапливающего сумматора 15, а выход соединен с информационным входом третьего регистра 33, выход которого соединен с информационным входом четвертого реги:тра 34, а вход записи подключен ко входу синхронизации накапливающего сумматора 15. связанному с инверсным входом десятого одновибраторе 35. выход которого соединен со входом записи четвертого регистра 34, вход установки нуля которого подключен к установочному входу накапливающего сумматора 15, а выход соединен со вторым входом сумматора 32 и выходом накапливающего сумматора 15.

Рассмотрим вначале работу датчика

ДУМ 1.

В анализаторе е качестве датчика

ИДТМ 12 используется счетчик электроэнергии с телеметрическим выходом (H8пример, типа САЗУ-И687, СР4У-И689 (6) и др.).

В ДУМ 1 используется первый БП 14 емкостью К х М, где К = 256 — число М-раз15

35 рядных слов. которь е мо. уг быть р",: ìåùåны в БП 14.

S зависимости от параметрое ИДТМ 12 числа "М" выбирается равным 4-8.

На вход счетчика 13 с выхода датчика

ИДТМ 12 поступают импульсы, частота которых пропорциональна текущей мощности нагрузки P(t) (см. фиг.2). Посчитывая эти импульсы, счетчик 13 осуществляет дискретное интегрирование мощности нагрузки, В конце промежуточного интервала усреднения Л t содержимое счетчика 13 записывается в первый БП 14 по адресу. формируемому реверсивным счетчиком 19.

Затем содержимое счетчика 13 обнуляется, после чего начинается новый промежуточный интервал усреднения, В конце этого нового цикла работы датчика ДУМ 1 содержимое счетчика 13 записывается в первый

БП 14 по увеличенному на единицу адресу и т.д, Таким образом е процессе работы ДУМ

1 в ячейки БП 14 по порядку записываются многоразрядные слова. значения которых в каждом случае равняются расходу электроэнергии эа промежуточный интервал усреднения: ц

ЧА - Я P(t)dt. (1)

ti — At

Параллельно с этим за время Л t реализуется следующий алгоритм обработки информации, В конце очередного промежуточного интервала усреднения Ь t отрицательным фронтом импульса с выхода старшего разряда счетчика 30 запускается одновибратор

31, который, в свою очередь, запускает одновибратор 18 (в момент времени t = 0 на фиг.4). Импульсом с прямого выхода последнего обнуляется содержимое регистра 34 суммы, а импульсом с инверсного выхода одновибратора 18 е счетчик 19 из регистра

23 вписывается код адреса ячейки БП 14, в которой хранится значение расхода электроэнергии W;-> за предыдущий промежуточный интервал At (см. фиг.5).

В момент времени t t (фиг.4) запускается одновибратор 20, который увеличивает содержимое счетчика 19 на единицу.

В момент времени т2 (фиг.4) импульсом с инверсного выхода одновибратора 21 в очередную ячейку первого БП 14 из счетчика

13 переписывается значение расхода электроэнергии Щ за последний промежуточный интервал Ьт (см. фиг;5), а импульсом с прямого выхода одновибратора 2 2 в регистр

23 записывается новый, увеличенный на единицу, код.

В момент времени тз (фиг.4) импульсом с выхода одновибратора 22 содержимое счетчика 13

1836692 обнуляется. После окончания импульса одновибратора 22 оно вновь начинает накапливаться зв следующий промежуточный интервал усреднения At.

В момент времени t4 (фиг.4) импульсом 5 с выхода ГПИ 24 запускается одновибратор

26, выходной импульс которого записывает в регистр 33 значение Wi, поскольку íà вхо- ды сумматора 32 в этот момент времени подаются нулевое значение с выхода реги- 10 стра 34 и значение Ю с выхода первого

БП 14.

Импульсом с выхода одновибратора 35 в мо»;ент времени tg (фиг.4) значение Nh переписывается из промежуточного регист- 15 ра 33 в регистр 34 суммы, Одновременно с этим, импульсом с выхода одновибратора 27, появляющимся в момент времени 1;, (фиг.4) и поступающим на регрессивный вход реверсивного счетчи- 20 ка 19, содер>кимов последнего уменьшается на единицу — на выходе первого БП 14 появляется значение расхода электроэнергии

Wj-л за предыдущий проме>куточный интервал At(c t. фиг. 5). 25

Последующие 239 тактов ГПИ 24 группа одновибраторов 18, 20-22 бездействует, а цепь одновибраторов 26, 27, 35 запускается, по переднему фронту импульсов ГПИ 24.

При очередном запуске одновибраторов 30

26, 27, 35 в регистре 34 появляется сумма (см. фиг,5)

W2 = Wl+ Wl-1.

В следующем такте ГПИ 24 s регистре

34 появляется сумма 35

Nlg = W1+ Wi--1+ W-2 и т.д. Таким образом, из ячеек первого БП

14 осуществляется ретровыборка значений

Wi (см, фиг.5), которые добавляются к предыдущей сумме, после чего новое значение 40 суммы записывается в регистр 34.

В 240-м такте генератора 24 в регистре

34 накапливается сумма, равная расходу электроэнергии за интервал усреднения мощности нагрузки Т = 240 A t 45

239 Ц

Wino =,, Wi-r - Я P(t)dt, (2) =о ц-т

Учитывая, что интервал усреднения Т остается постоянным, можно сделать вывод 50 о том, что содержимое регистра 34 пропорционально усредненной на интервале Т мощности нагрузки;

Ь

Р= — l P(t)dt, (3)

После окончания 240-го такта ГПИ 24 запускается одновибратор 31. который переписывает содержиллое регистра 34 в регистр 16, а также запускает схему ДУМ 1 на накопление новой суммы в регистре 34. При этом в регистре 16 оказывается значение, пропорциональное усредненной мощности нагрузки Pyi (см. фиг,5), а на выходе ДУМ 1 появляется напряжение Up, пропорциональное этой мощности, После прохон<дения следующего промежуточного интервала усреднения At на выходе ДУМ 1 появляется напряжение, пропорциональное мощности

Ру(н-1) (см. фиг,5) и т,Д.

Таким образом, на выходе датчика ДУМ

1 имеется напряжение, которое пропорционально мощности нагрузки Р, усредненной на скользящем с шагом A с интервале Т.

Например, в одном из вариантов анализатор имеет следующие параметры: частоту генератора 24 fg4 = 2400 Гц; проме>куточный интервал Ь t = 0,1 с; интервал усреднения

Т = 24 с. При таких параметрах выходное напряжение датчика мощности ДУМ 1 изменяется практически непрерывно и достаточно плавно.

Рассмотрим работу анализатора (см. фиг. l), Обработка информации осуществляется анализатором следующим образом.

Напряжение Ру (здесь и в дальнейшем индексом - отмечены напряжения, соответствующие обозначенным величинам), определяемое датчиком ДУМ i, возводится в квадрат, а затем пропускается через инерционные звенья 3-4, имеющие различные постоянные времени ть На выхоуах ИЗ 3-4 появляются напряжения P> i, которые пропорциональны температуре нагрева токоведущих элементов реальных электроустановок, имеющих эквивалентные постоянные нагрева ti. Напряжения Рэс поочередно пода1отся через устройство 6 для извлечения квадратного корня на вход

АЦП 7, на выходе которого формируется двоичный код, пропорциональный значениям эффективной сглаженной мощности нагрузки Рэс!. Зтот код образует группу разрядов первого адресного входа второго

БП 8 и задает номер разряда одной из размерностей измеряемого двумерного распределения. Выходной код счетчика 9 образует группу разрядов второго адресного входа БП 8 и задает, соответственно, номер разряда второй размерности измеряемого двумерного распределения.

Выборка значений Ры осуществляется кварцевым генератором 11 следующим образом.

РВ определенный момент времени, после срабатывания по заднему фронту импульса генератора 11 счетчика 9 его содержимое становится равным 0000, При

1836692

15 м! ъР 2 2 г (4) гаком коде на управляющем входе коммутагора 5 на его выходе появляется напряжение P>

2 информационному входу коммутатора 5. Ко второму адресному входу БП 8 прикладывается код значения Рь например 0100. Полный адресный код БП 8 равен 00000100.

По переднему фронту выходного импульса ГПИ 11 запускается одновибратор

10, выходной импульс которого осуществляет накопление информации (увеличение ее на единицу) в канале БП 8 с адресом

00000100, При следующем срабатывании кварцевого ГПИ11 к управляющему входу коммутатора 5 прикладывается код 0001 — в этом случае к первому адресному входу БП 8 прикладывается код {например, 0011), пропорциональный мощности Рз . После этого при срабатывании одновибрзтара 10»а единицу увеличивается информация, хранящаяся в канале БП 8 с адресом 00010011 и т,д.

После достаточно длительного накопления информации па содержимому каналов

БП 8 строится семейство гистограмм эффективной сглаженной с раэличныл и постоянными r, jмощности нагрузки Рэ ь

Полученная с помощью анализатора информация может использоваться для решения следующих задач;

1) Определение расчетной мощности токоправадав по нагреву для эксплуатируемого электрооборудования.

2) Определение коэффициента загрузки по току установленного электрооборудования.

3) Определение и уточнение коэффициентов максимума (см, (5)) установленного электрооборудования, 4) Определение расчетной мощности по нагреву электрооборудования проектируемых систем электроснабжения. В этом случае описанный анализатор подключается к устройству, моделирующему процесс изменения мощности нагрузки, через преобразователь напряжение-частота. Следует отметить, что этот пункт может выполняться ускоренно с масштабом по времени m ==100-1000, что позволит получать результаты достаточно быстро, Рассмотрим уточненный метод определения расчетной мощности (тока) нагрузки по нагреву (см. n,1).

Для реализации метода параллельно проводят измерения двумя анализаторами.

В одном анализаторе при этом в качестве датчика ИДТМ 12 используется датчик активной мощности нагрузки, з в другом— датчик реактивной мощности нагрузки.

После этого полученные семейсгвз гистограмм активной и реактивной эффективной сглзженнай мощнасги нагрузки обрабатываются следующим образом. Каждая из гистограмм аппроксимируется одним из известных методов (см,, например. (7)) наиболее близким теоретическим законом распределения. После этого определяют максимальные значения сглаженной эффективной мощности нагрузки Р„ и О (где 1=1 — 16 — номер постоянной нагрева т), ко1орые могут быть превышены с заданной допустимой вероятностью Рлоп.

Затем определяют соответствующие значения полной мощности нагрузки по известной формуле (5) По точкам S . используя известные методы аппроксимации (8), строят зависимость Sv(T) — см. фиг.8. Нз фиг,8 по справочным данным (9) строится также зависимость допустимых значений мощности

Ядоп выбираемого оборудования от постоянной нагрева т.

Значение расчетной мощности Зя апределяют по точке пересечения кривых S (t) и галоп(т).

Преимуществами предлагаемого анализатора по сравнению с известными являются его более широкие функциональные вазможности за счет расширения класса решаемых задач, а именно, за счет получения семейства гистограмм сглаженной эффективной мощности нагрузки — величины, которая пропорциональна температуре нагрева токопровадов с различным поперечным сечением. а также повышение точности при обследовании электрических нагрузок промышленных предприятий.

Применение новой получаемой анализатором информации дает возможность более точно определять расчетную мощность {ток) по нагреву, Вследствие этого применение анализатора позволяет получить на промышленном предприятии средней мощности зкономический эффект в несколько десятков тысяч рублей эз счет более рациональнага выбора различных токоведущих элементов системы электроснабжения по нагреву, поскольку существующие методы позволяют выбирать указанное оборудование с неоправданным запасом, Анализатор реализуется на микроэлектронной основе отечественного производства. В настоящее время разработана принципиальная схема и ведется изготовление опытного образца анализатора, Для доведения предполагае1836692 мого изобретения до промышленного использования требуется 2 года.

Формула изобретения

Многомерный статистический анализатор сглаженной эффективной мощности нагрузки, содержащий импульсный датчик текущей мощности нагрузки, вход которого является входом анализатора, а выход соединен с тактовым входом первого счетчика, выход которого соединен с информационным входом первого блока памяти, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, первый одновибратор, прямой выход которого соединен с установочным входом накапливающего сумматора, а инверсный — с входом записи реверсивного счетчика и входом второго одновибратора, инверсный выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика и входом третьего одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом записи nepaoro блока памяти, а прямой — с инверсным входом четвертого одновибратора и входом записи первого регистра, выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика, выход которого соединен с адресным входом первого блока памяти и информационным входом nepeoro регистра, выход четвертого одновибратора соединен с установочным входом первого счетчика, первый кварцевый генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с тактовым входом второго счетчика и входом пятого одновибратора, выход которого соединен с входом синхронизации накапливающего сумматора и через шестой одновибратор с вычитающим входом реверсивного счетчика, выход второго счетчика подключен к входу элемента И вЂ” НЕ, выход которого соединен с инверсным входом седьмого одновибратора, выход которого соединен с установочным входом второго

5 счетчика и тактовым входом третьего счетчика, и второй блок памяти, о т л и ч а юшийся тем, что. с целью повышения точности анализатора, в него дополнительно введены второй кварцевый генератор

10 прямоугольных импульсов, четвертый счетчик, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, квадратор и блок извлечения квадратного корня. коммутатор, группа инерционных звеньев, второй регистр, 15 восьмой и девятый одновибраторы, причем выход старшего разряда третьего счетчика . через восьмой одновибратор соединен с инверсным входом первого одновибратора и входом записи второго регистра, информа20 ционный вход которого подключен к выходу накапливающего сумматора, а выходсоединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, выход которого через квадратор соединен с входами икер25 ционных звеньев группы, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с информационным входом

30 аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым адресным входом второго блока памяти, вход записи которого через девятый одновибратор подключен к выходу второго кварцевого ге35 нератора прямоугольных импульсов, соединенному с тактовым входом четвертого счетчика. выход которого соединен с управляющим входом коммутатора и вторым адресным входом второго блока памяти.!

836692 л п

Г

Фиг 4

1836692

Составитель В. Ермаков

Техред М. Моргентал Корректор Л. Ливринц

Редактор

Заказ 3021 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101