Устройство управления энергопотреблением

 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к системам контроля, учета и управления энергопотреблением электрических и тепловых объектов, работающих при воздействии внешних возмущающих факторов и индустриальных помех. Система содержит цифровой управляющий блок 1, решающий блок 2, внутреннюю шину 3, програмный блок 4, мультиплексор 5, дешифратор 6, адаптер интерфейса 7, блок согласования 8, контроллер индикации и клавиатуры 9, блоки гальванической развязки, нормализаторы, формирователи импульсов, сканирующий дешифратор 13, блок 14 индикации и сигнализации, клавиатуру 15, стабилизаторы тока, динамические фильтры, блок управления исполнительными механизмами 18, внешний интерфейс 19, экспандерные драйверы 20, дублированные линии связи 21, блок датчиков энергопотребления 22, фильтры нижних частот, динамические пороговые фильтры 24, объект энергопотребления 25. На блоки системы, расположенные во внешней среде 26, действуют возмущения и помехи 27. Блок датчиков энергопотребления 22 содержит датчики энергопотребления 28, соединенные в матрицу. Блок датчиков энергопотребления 22 и блок управления исполнительными механизмами 18 установлены на объекте энергопотребления 25. Введение в систему ряда дублирующих линий связи 21 с блоком датчиков 22 позволяет улучшить помехозащищенность наиболее уязвимого места системы-линий связи 21 с блоком датчиков 22. Использование компандерэкспандерных методов передачи и приема информации позволяет уменьшить влияние электромагнитных помех и шумов, возникающих во внешней среде. Программное обеспечение, используемое в системе, позволяет оперативно обнаружить место и характер повреждения элементов системы и учесть или устранить воздействия на результат измерений. Рациональный и научно-обоснованный комплексный подход к подавлению электромагнитных помех и снижению восприимчивости системы к возмущающим воздействиям, позволяет получить высокую эффективность ее работы в условиях, когда свойства помех заранее неизвестны и могут изменяться в соответствии с реальной обстановкой (короткие замыкания в линии, импульсные помехи и др.). 9 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам контроля, учета и управления энергопотреблением электрических и тепловых объектов, работающих при воздействии внешних возмущающих факторов и индустриальных помех.

Устройства, работающие в таких условиях, сильно подвержены влиянию этих помех, неправильно воспринимают и накапливают измерительную информацию и неадекватно формируют управляющие воздействия (1, 2).

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача разработать устройство управления энергопотреблением, обладающее повышенной помехозащищенностью и достоверностью получения измерительной информации в сложных производственных условиях.

Поставленная задача решается тем, что в устройство управления энергопотреблением, содержащее цифровой управляющий блок, выход управления нагрузкой которого через последовательно соединенные нормализатор и формирователь импульсов подключен к входу блока управления исполнительными механизмами, блок датчиков энергопотребления дополнительно введены фильтры нижних частот, динамические пороговые фильтры и экспандерные драйверы, входы которых соединены с соответствующими выходами управления информационными сигналами цифрового управляющего блока, а его выход через дублированные линии связи к входам блока датчиков энергопотребления, выходы которого через соответствующие последовательно соединенные фильтры нижних частот и динамические пороговые фильтры подключены к соответствующим входам цифрового управляющего блока.

Структурная схема устройства, приведенная на фиг, 1, содержит цифровой управляющий блок 1, решающий блок 2, (внутр.шину) интерфейс 3, программный блок 4, мультиплексор 5, дешифратор 6, адаптер интерфейса 7, блок согласования 8, контроллер 9 индикации и клавиатуры, блоки гальванической развязки 10₁-10_m, нормализаторы 11₁-11₃, формирователи импульсов 12₁-12₃, сканирующий дешифратор 13, блок 14 индикации и сигнализации, клавиатура 15, стабилизаторы тока 16₁-16₂, динамические фильтры 17₁, 17₂, блок управления исполнительными механизмами 18, внешний интерфейс 19, экспандерные драйверы 20₁-20_m, дубированные линии связи 21₁-21_m, блок датчиков энергопотребления 22, фильтры нижних частот 23₁-23_n, динамические пороговые фильтры 24₁-24₂, объект энергопотребления 25, внешняя среда 26, возмущение и помехи 27, датчики энергопотребления 28₁₁-28_nm, исполнительные механизмы 29₁-29_к, сжиматель (компрессор) динамического диапазона 30, пороговый фильтр 31, расширитель динамического диапазона 32.

График, поясняющий работу устройства, приведен на фиг.2; структурная схема динамического порогового фильтра приведена на фиг;3; графики, поясняющие работу динамического порогового фильтра приведены на фиг;4; алгоритмы функционирования устройства приведены на фиг.5-9, где Т контролируемый интервал времени (Т 30 мин); τ текущее время; W_τ- текущее реальное энергопотребление; W_л лимит энергопотребления на контролируемый интервал времени Т в периоды максимумов нагрузок объекта энергопотребления; W_зо прогноз энергопотребления на конец контролируемого интервала Т; Δt шаг управления; ΔW величина превышения прогнозного энергопотребления над заданным; N количество точек контроля.

Устройство работает следующим образом.

Решающий блок 2 через дешифратор 6 производит опрос состояния датчиков энергопотребления 28₁₁-28_nm, включенных в узлы матрицы блока датчиков энергопотребления 22.

Частота стробимпульсов, поступающих с выходов дешифратора 6, многократно превышает частоту импульсов, которые поступают с выходов датчиков энергопотребления 28₁₁-28_nm. В каждом такте дешифратор 6 опрашивает состояние n датчиков энергопотребления 28₁₁-28_nm. За m тактов осуществляется опрос датчиков энергопотребления 28₁₁-28_nm.

Стробимпульсы с выходов дешифратора 6 через блоки гальванической развязки 10₁₁-10_m поступают на входы экспандерных драйверов 20₁-20_m, расширяющих динамический диапазон сигналов и обеспечивающих опимальное соотношение сигнал/шум. С выходов экспандерных драйверов 20₁-20_m сигналы через дублированные линии связи 21₁-21_m поступают на управляющие входы блока датчиков энергопотребления 22. Применение дублированных линий связи 21₁-21_m минимизирует емкостные и индуктивные паразитные связи и устраняет помехи от рассогласования импедансов линий связи и входных и выходных блоков устройства.

Прием информации о состоянии датчиков энергопотребления 28₁₁-28_nm, включенных в блок датчиков энергопотребления 21, осуществляется мультиплексором 5 через последовательно включенные фильтры нижних частот 23₁-23_n и динамические пороговые фильтры 24₁-24_n.

Фильтры нижних частот 23₁-23_n подавляют высокочастотные помехи и наводки, а динамические пороговые фильтры 24₁-24_n восстанавливают исходный динамический диапазон сигнала и формируют информационные сигналы, поступающие на входы мультиплексора 5 при достижении заданного порога срабатывания сигналами опроса состояния датчиков энергопотребления 28₁₁-28_nm, т.е. при их активном состоянии.

Информация о состоянии датчиков энергопотребления 28₁₁-28_nm с выходов мультиплексора 5 через интерфейс 3 поступает в решающий блок 2 и многократно запоминается в оперативной памяти решающего блока 2. Решающий блок 2 воспринимает сигнал как полезный только в том случае, если в его оперативной памяти сформирована заданная кодовая комбинация сигналов. Тем самым обеспечивается дополнительная программная фильтрация полезных входных сигналов от помех.

В решающем блоке 2 осуществляется накопление поступающей информации и умножение ее на выравнивающие множители, хранящиеся в программном блоке 4, определяемые по следующим формулам: а) для электрической энергии К К_т ^. К_н ^. Ц, где К_т коэффициент трансформации трансформатора тока, К_н коэффициент трансформации трансформатора напряжения, Ц цена импульса датчика; б) для других видов энергоносителей К К_м ^. Ц где К_м масштабный множитель В соответствии с рабочей программой, записанной в постоянной памяти программного блока 4, решающий блок 2 осуществляет вычисление параметров объекта энергопотребления 25.

При этом вычисляются и заносятся в соответствующие таблицы базы данных решающего блока 2 следующие основные параметры: максимальная получасовая активная и реактивная мощности, приходящиеся на зоны максимумов нагрузок объекта энергопотребления 25 за расчетный период (сутки, неделю, месяц, квартал); средняя реактивная мощность в ночные часы за расчетный период;
расход энергии по зонам суток и расход энергии по сменам суток.

По интерфейсу 3 производится взаимный обмен информацией с вышестоящим уровнем управления устройством через адаптер интерфейса 7 и внешний интерфейс 19. При этом выходные из системы данные поступают во внешний интерфейс 19 с выходов адаптера интерфейса 7 через последовательно соединенные нормализатор 11₃ и формирователь импульсов 12₃, что позволяет получить на их выходе сигналы нормированной длительности с заданными параметрами соотношения сигнал/шум.

Из внешнего интерфейса 19 информация в систему поступает через последовательное соединенные стабилизаторы тока 16₂ и динамический фильтр 17₂, выход которого связан с входом адаптера интерфейса 7. Стабилизатор ока 16₂ обеспечивает стабильность порогов срабатывания приемника динамического фильтра 17₂ при вариациях параметров линий связи, а динамический фильтр 17₂ сжимает динамические характеристики сигналов, обеспечивая оптимальную фильтрацию входных сигналов от помех.

Кроме того, вычисляемые устройством параметры, находящиеся в базе данных решающего блока 2, по интерфейсу 3 могут передаваться в контроллеp 9 индикации и клавиатуры для отображения на удаленном блоке 14 индикации и сигнализации.

Объем выводимой на блок 14 индикации и сигнализации регулируется контроллером 9 индикации и клавиатуры по характеру взаимодействия оператора с системой через клавиатуру 15.

Каждому выводимому параметру соответствует определенная комбинация клавиш (директива) клавиатуры 15. При наборе на клавиатуре 15 соответствующей директивы вызова параметра сканирующий дешифратор 13 осуществляет опрос состояния клавиатуры 15. Информация о состоянии клавиш клавиатуры 15 передается через последовательно соединенные стабилизатор тока 16₁ и динамический фильтр 17₁ в контроллер 9 индикации и клавиатуры, который запоминает состояние нажатых клавиш и передает полученную директиву по интерфейсу 3 в решающий блок 2.

Решающий блок 2, анализируя директиву, обеспечивает вывод вызываемого параметра по интерфейсу 3 на контроллер 9 индикации и клавиатуры, который передает необходимую информацию через последовательно соединенные нормализаторы 11₁ и формирователь импульсов 12₁ на вход сканирующего дешифратора 13, обеспечивающего динамическую индикацию вызываемого параметра на блоке 14 индикации и сигнализации.

В периоды максимальных нагрузок объекта энергопотребления 25 (время утреннего и вечернего максимума) устройство определяет величину реального энергопотребления W_c (фиг. 2) в контролируемой точке τ и осуществляет прогноз энергопотребления W₃₀, ожидаемого на конец контролируемого интервала Т (как правило, T 30 мин).

Если прогнозируемое значение энергопотребления W_n превышает заданный на контролируемый интервал времени Т лимит W₃₀ на величину ΔW, то решающий блок 2 обеспечивает отображение на блоке 14 индикации и сигнализации величины ожидаемого превышения ΔW лимита и вырабатывает предупреждающий сигнал, который предупреждает обслуживающий персонал о возможном превышении лимита энергопотребления (например, звуковой сигнал).

Клавиатура 15 переводится в режим последовательного перебора зарегистрированных превышений лимита энергопотребления, чем обеспечивает минимальное время отключения потребителей-регуляторов, которые являются составной частью объекта энерогопотребления 25.

Одновременно решающий блок 2 формирует управляющий сигнал, поступающий по интерфейсу 3 на блок 8 согласования и далее через последовательно соединенные нормализаторы 11₂ и формирователь импульсов 12₂ на блок 18 исполнительных механизмов, который осуществляет отключение заданных частей объекта энергопотребления 25.

При этом на блоке 14 индикации и сигнализации отображается состояние всех частей объекта энергопотребления 25 с учетом произведенного управления.

Каждый контролируемый интервал времени Т работы системы разбит на подынтервалы (шаги управления).

N
Причем, на первых (N 1) шагах процесс формирования величины и соответственно W₃₀ устройством осуществляется дискретно через время Δt. На последнем N-м шаге управления осуществляется непрерывное по мере поступления информации формирования величины W_τ и сравнение ее с нормой энергопотребления, соответствующей данному отрезку времени, т.е. величиной
W^τ_л W_л
Частота стробимпульсов, поступающих от дешифратора 6, строго синхронна частоте питающей сети. Это позволяет устранить влияние на линии связи 21₁-21_m с блоком датчиков энергопотребления22 помех общего вида путем интегрирования помех фильтрами нижних частот 23₁-23_n.

Кроме того, в системе реализован алгоритм, по кoторому за счет некоторой избыточности передаваемой информации осуществляется отсеивание ошибочных данных, исправление и правильное восприятие принятой информации. При работе этого алгоритма уменьшается влияние адддитивных шумов и флуктуационных помех, поступающих из внешней среды 26 на динамичные фильтры 17₁, 17₂ и 24₁-24_n.

Физический сигнал U₁, поступающий на входы фильтров нижних частот 23₁-23_m, может быть представлен в виде аддитивной смеси полезного сигнала и шума
U U_α + U_R, где U_α детерминированная функция;
U_R помеха в канале.

Стробимпульсы от дешифратора 6 поступают на управляющие входы блока датчиков энергопотребления 22 с частотой опроса, многократно превышающей частоту импульсов, которую выдают датчики энергопотребления 28₁₁-28_mn. Эти импульсы многократно фиксируются и накапливаются мультиплексором 5 внутри интервала накопления между импульсами, выдаваемыми датчиками энергопотребления 28₁₁-28_nm, и передаются через интерфейс 3 в решающий блок 2, который накапливает отсчеты
U_N=(U_Nα+U_NR] n·U_Nα+U_NR где U_N цифровое представление выборки;
U_Nα цифровое представление полезного сигнала;
U_NR цифровое представление помехи;
n число накоплений.

Таким образом, при U_NR ≈ 0 (для стационарных случайных процессов при числе накоплений, превышающих десять) получим десятикратный выигрыш в соотношении сигнал/шум по сравнению с соотношением принимаемых сигналов.

Изменением величины коэффициента накопления (использованием переменного числа накопленных отсчетов) можно обеспечить гарантированную помехозащищенность устройства при вариациях величины и характера помех во внешней среде.

Этот рациональный программно-аппаратный способ устранения шумов и помех позволяет достичь эффективного результата при использовании простых аналоговых и цифровых устройств обработки сигналов без применения сложных вычислительных алгоритмов и без потери производительности устройства в реальном масштабе времени.

Все это позволяет реализовать надежно работающее устройство управления энергопотреблением, обеспечивающее обработку сигналов датчиков энергопотребления, выдачу управляющих воздействий и передачу информации на значительные расстояния в условиях эксплуатации реальных объектов энергопотребления, имеющих значительный уровень флуктуационных шумов и индустриальных помех.

Использование дублированных линий связи 21₁-21_m позволило минимизировать емкостные и индуктивные паразитные связи, связи через общее сопротивление ветвей матрицы блока датчиков 22 и полностью устранить помеху от рассогласования импеденсов линии и входных и выходных блоков устройства.

В случае возникновения обрыва в одной из линий, проходящей через внешнюю среду 26, или преднамеренном воздействии на элементы устройства, которые могут повлиять на результат измерений, решающий блок запоминает место, дату и характер повреждения или отказа и передает через внешний интерфейс 19 сообщение на вышестоящий уровень. Это позволяет оперативно обнаружить и восстановить поврежденное локальное устройство, обеспечить коммерческое использование устройства и живучесть региональной системы управления энергопотреблением.

Рациональное соотношение между аппаратной и программной частью устройства, использование строго научных и объективных принципов активного подавления помех, т. е. охватывающих ее свойства и ресурсы, позволяет достичь оптимальных результатов при хорошей воспроизводительности устройства в условиях серийного производства.

Данная реализация устройства позволила обеспечить высокую надежность взаимного обмена информацией, отсутствие фатальных ошибок и сбоев, вызванных воздействием на цепи хранения, обработки и передачи данных различных возмущающих воздействий (искусственных и естественных помех).

Повышение эффективности устройства достигается за счет повышения ее помехоустойчивости и помехозащищенности, и, как следствие, за счет обеспечения высокой надежности при взаимном обмене информацией различных уровней контроля и управления энергопотреблением.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ, содержащее цифровой управляющий блок, выход управления нагрузкой которого через последовательно соединенные нормализатор и формирователь импульсов подключен к входу блока управления исполнительными механизмами, блок датчиков энергопотребления, отличающееся тем, что в нее дополнительно введены фильтры нижних частот, динамические пороговые фильтры и экспандерные драйверы, входы которых соединены с соответствующими выходами управления информационными сигналами цифрового управляющего блока, а выходы через дублированные линии связи с управляющими входами блока датчиков энергопотребления, выходы которого через соответствующие последовательно соединенные фильтр нижних частот и динамический пороговый фильтр подключены к соответствующим входам цифрового управляющего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9