Способ контроля работоспособности электронного счетчика и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться в аппаратуре учета электроэнергии в электросетях. Задачей изобретения является обеспечение возможности оценки работоспособности электронного счетчика электроэнергии. Оценка производится по разности отношения реактивной и активной мощности в электросети и тангенса сдвига фаз между током и напряжением в электросети. Устройство содержит блок трансформаторов токов и напряжений фаз электросети, датчики активной и реактивной мощности, устройство измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети, вычислитель, ОЗУ и ПЗУ, часы-календарь и систему связи с региональной информационной системой. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в аппаратуре электроэнергии в энергосетях.

Известно устройство для измерения активной и реактивной мощностей гармоник в электрической цепи [1] содержащее датчики мгновенных значений тока и напряжения, блоки перемножения, суммирующий и вычитающий блоки, синусно-косинусный генератор и два блока определения координат векторов гармоник. Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности контроля сложного электронного устройства.

Наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству являются способ измерения активной и реактивной энергий в трехфазных сетях и электронный счетчик, реализующий данный способ [2] Счетчик содержит трансформаторы тока и напряжений, датчики энергии, микропроцессор с оперативной и постоянной памятью, дисплеем и устройством занесения данных в микропроцессор.

Недостатком способа и устройства является отсутствие возможности оценки работоспособности трансформаторов тока и напряжения, датчиков мощности и др. в процессе штатной работы.

В основу изобретения положений задача обеспечения возможности оценки работоспособности счетчика электроэнергии.

Это достигается тем, что в способе контроля работоспособности электронного многофазного счетчика электроэнергии, выполняющем измерение активной и реактивной мощностей, дополнительно измеряют значение углов сдвига между напряжениями и токами каждой фазы электросети, а критерий работоспособности вычисляют по формулам где ϕ_n угол сдвига между напряжением и током n-й фазы; число фаз электросети; P_n активная мощность электросети; Q_n реактивная мощность электросети; ΔP_n абсолютная погрешность измерения активной мощности, определяемая классом точности счетчика; ΔQ_n абсолютная погрешность измерения реактивной мощности, определяемая классом точности счетчика; Δϕ_n абсолютная погрешность измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети; ΔHП_n абсолютная погрешность вычислений микропроцессора по приведенному критерию работоспособности;
ΔHC_n абсолютная погрешность, вносимая нелинейностями напряжений и токов электросети;
количество импульсов частоты заполнения, пропорциональное углу сдвига между напряжением и током фазы;
количество импульсов частоты заполнения, пропорциональное частоте электросети.

В устройство контроля работоспособности электронного счетчика, содержащее блок трансформаторов токов и напряжений, выходы которого подключены к входам датчиков активной и реактивной мощностей, магистраль данных, адреса и прерываний, постоянное и оперативное запоминающие устройства, электронные часы-календарь, пульт управления, дисплей и устройство связи с информационной региональной системой, дополнительно введены устройство измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети, входы которого соединены с выходами блока трансформаторов токов и напряжений и электронных часов-календаря, а также вычислитель оценки работоспособности счетчика, который магистралью данных, адреса и прерываний соединен с выходами датчиков активной и реактивной мощностей, устройства измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети, с электронными часами-календарем, оперативным и постоянным запоминающими устройствами, пультом управления, дисплеем и устройством связи с информационной региональной системой.

Устройство измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети выполнено в виде последовательного соединенных формирователя временных стробов напряжений и токов трех фаз, входы которого соединены соответственно с выходом блока трансформаторов токов и напряжений и магистралью данных, адреса и прерываний и блока измерения углов сдвига, вход которого подключен к выходу электронных часов-календаря, а выход к магистрали данных, адреса и прерываний.

На фиг. 1 приведена структурная схема счетчика, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 структурная схема устройства измерения сдвига фаз между напряжением и током каждой фазы электросети, на фиг. 3 функциональная схема формирователя стробов напряжений и токов трех фаз; на фиг. 4 функциональная схема блока измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети; на фиг. 5 временная диаграмма работы блока измерения угла сдвига без переключения фаз от микропроцессора; на фиг. 6 временная диаграмма работы блока измерения угла сдвига при переключении фаз микропроцессора.

Устройство контроля работоспособности электронного счетчика содержит блок 1 трансформаторов токов и напряжений, датчик 2 активной мощности, датчик 3 реактивной мощности, устройство 4 измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети, вычислитель 5 оценки работоспособности счетчика (микропроцессор), оперативное запоминающее устройство 6, постоянное запоминающее устройство 7, электронные часы-календарь 8, пульт 9 управления, дисплей 10 и устройство 11 связи с информационной региональной системой, магистраль 12 данных, адреса и прерываний.

Устройство 4 измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети содержит формирователь 13 временных стробов напряжений и токов трех фаз и блок 14 измерения углов сдвига (фиг. 2).

Формирователь 13 временных стробов напряжений и токов трех фаз содержит коммутатор 15 напряжений, блок 16 управления коммутатором (дешифратор), активный аналоговый полосовой фильтр 17 на основную гармонику, компаратор 18 уровня напряжений (фиг. 3).

Блок 14 измерения угла сдвига содержит элемент НЕ 19, первый элемент И 20, триггер 21 со счетным входом, элемент 22 выделения заднего фронта, элемент 23 выделения переднего фронта, второй элемент И 24, регистр 25 углов сдвига, счетчик 26 частоты (фиг. 4).

Предложенный способ контроля работоспособности электронного счетчика реализуется устройством (фиг. 1) и заключается в следующем. С помощью датчиков 2 и 3 измеряют активную и реактивную мощности, устройством 4 измеряют значение углов сдвига между напряжениями и токами каждой фазы электросети. Измеренные значения по магистрали 12 поступают в вычислитель 5 оценки работоспособности счетчика (микропроцессор), где вычисляется критерий работоспособности.

Для оценки работоспособности счетчика электроэнергии вводится соотношение, позволяющее проводить проверку электросчетчика без отключения его от электросети

где P активная мощность;
Q реактивная мощность;
ϕ угол сдвига между напряжением и током фазы;
C параметр, определяющий абсолютную погрешность метода.

Параметр C включает в себя сумму:
абсолютной погрешности измерения активной мощности где K_p% класс точности датчиков активной мощности;
абсолютной погрешности измерения реактивной мощности где K_Q% класс точности датчика реактивной мощности;
абсолютная погрешность измерения угла сдвига Δϕ;
абсолютная погрешность вычисления микропроцессора DМП соотношения (1);
абсолютная погрешность, вносимая несинусоидальностями токов и напряжений электросети ΔHC.

Абсолютная погрешность, вносимая несинусоидальностями токов и напряжений выводится из следующего соотношения:

где число гармоник электросети;
U_n действующее значение напряжения n гармоники;
J_n действующее значение тока n гармоники;
U₁ действующее значение напряжения основной гармоники;
J₁ действующее значение тока основной гармоники.

Коэффициент несинусоидальности напряжения и тока определяется

(ГОСТ 13109-87, Требования к качеству электрической энергии, с. 11; РД 34715.501-88, Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии, с. 4, табл. 1.1, графа "дополнительные изменяемые величины"; Круг К.А. Теория переменных токов. Том 2. Гос. энергетическое изд-во, М. 1946, с. 263; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники; М. Высшая школа. 1964, с. 250).

С учетом соотношения (3) и (4) соотношение (2) принимает вид
.

Отношение реактивной мощности к активной в этом случае определяется
.

Абсолютная погрешность, вносимая нелинейностями тока и напряжения электросети, определятся в этом случае из соотношения (1)

При этом известно, что практически значение угла сдвига ϕ < 60°. и, следовательно, tgϕ < 2.
Следует отметить, что угол сдвига в соответствии с функциональной схемой фиг. 4 вычисляется по формуле

где ϕ угол сдвига между напряжением и током фазы в радианах;
N_ϕ количество импульсов частоты заполнения, пропорциональное углу сдвига между напряжением и током фазы;
N_f количество импульсов частоты заполнения, пропорциональное частоте электросети.

Абсолютная погрешность измерения угла сдвига определяется частотой заполнения счетчика и точностью определения времени перехода синусоидальных напряжений с трансформаторов токов и напряжений через ноль.

Абсолютная погрешность вычислений микропроцессора по соотношению (1) может быть расчитана с наперед заданной точностью.

Соотношение (1) для M-фазного счетчика для интегральной оценки работоспособности в течение длительного времени накопления энергии принимает вид

где T время накопления энергии;
Δt период расчета по соотношению (7), равный 20,66. мс для трехфазного счетчика (фиг. 6);
ϕ_nj углы сдвига между напряжениями и токами по n-й фазам в j период расчета;
Q_ij, P_ij реактивная мощность n-й фазы в j период расчета; сij-параметр, определяющий абсолютную погрешность метода по n-й фазе в j период расчета;
число фаз электросети;
j ∈ (1; T/Δt) число периодов расчета.

Оценка работоспособности электронного счетчика по соотношению (7) определяется при заданном максимальном уровне несинусоидальности электрической сети (ГОСТ 13109-87). В случае, когда в сети невозможно определить максимальный уровень несинусоидальности, а достоверность работоспособности счетчика подтверждается, например, балансом электроэнергии других счетчиков, то соотношение (7) может служить для оценки несинусоидальности сети.

Оценка работоспособности электронного счетчика без отключения от электросети позволяет обслуживающему персоналу или центральному диспетчерскому пункту (информационной региональной системе) иметь оперативную информацию о правильности функционирования счетчика с учетом несинусоидальности электросети.

Предложенное устройство функционирует следующим образом.

С блока 1 трансформаторов токов и напряжений сигналы, пропорциональные токам и напряжениям трех фаз, поступают на датчики активной 2 и реактивной 3 мощности, а также на устройство 4 измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети. Информация об активной, реактивной мощности, углах сдвига по магистрали 12 поступает в вычислитель 5. Информация о текущем времени с блока 8 также по магистрали 12 поступает в вычислитель 5, в котором обрабатывается информация по программе, заложенной в постоянном запоминающем устройстве 7 с хранением промежуточных результатов в оперативном запоминающем устройстве 6. Результаты расчета вычислителя 5 по магистрали 12 выдаются либо на отображение на дисплей 10, либо в информационную региональную систему через устройство 11 связи по командам управления с наборного поля клавиш управления пульта 9.

Напряжения, пропорциональные токам и напряжениям трех фаз, поступают на формирователь 13 (фиг. 2), по магистрали 12 из вычислителя 5 на формирователь 13 поступают также команды "Переключение фаз". На выходе формирователя 13 вырабатываются стробы 27 и 28 соответственно напряжения и тока, которые поступают на первый и второй входы блока 14 измерения углов сдвига, на третий вход которого поступает сигнал частоты заполнения с кварцевого генератора электронных часов-календаря 8. Информация об угле сдвига фаз с блока 14 измерения поступает по магистрали 12 в вычислитель 5.

Напряжения, пропорциональные токам и напряжениям трех фаз, с блока 1 поступают на коммутатор 15 напряжений (фиг. 3), который переключается блоком 16 управления коммутатором по командам "Переключение фаз" с вычислителя 5 по магистрали 12 (фиг. 6). Первый выход коммутатора в виде напряжения, пропорционального напряжению одной из трех фаз, и второй выход в виде напряжения, пропорционального току одной из трех фаз, поступают на аналоговые полосовые фильтры 17 основной гармоники, с выхода которых сигналы поступают на компараторы 18 уровней напряжений. На выходе компараторов формируются временные стробы 27 и 28 соответственно напряжения и тока.

Временной строб 27 напряжения (фиг. 4) и инвертированный на элементе НЕ 19 временной строб тока проходят через элемент И 20, на выходе которого формируется временной строб 29 угла сдвига трех фаз. Временной строб 27 напряжения поступает на счетный вход триггера 21, с выхода которого сигнал (поделенный на два частоты сети) 30 поступает на элемент 22 выделения заднего фронта, на элемент 23 выделения переднего фронта и на элемент И 24. На выходе элемента 22 формируется сигнал "Прерывание микропроцессора", поступающий на магистраль 12. На выходе элемента 23 формируется сигнал 31 сброса счетчика 26 частоты и регистра 25 угла сдвига. Частота с кварцевого генератора блока 8 поступает на вход счетчика 26 частоты. Перезапись информации об угле сдвига со счетчика частоты 26 на регистр 25 угла сдвига проводится задним фронтом строба 29 угла сдвига трех фаз. Информация об угле сдвига электросети считывается вычислителем 5 по магистрали 12. Временные диаграммы, поясняющие работу блока 14 мзмерения углов сдвига и частоты, приведены на фиг. 5 и 6.

Формула изобретения

1. Способ контроля работоспособности многофазного электронного счетчика электроэнергии, включающий измерение активной и реактивной мощностей, отличающийся тем, что измеряют значение углов сдвига между напряжениями и токами каждой фазы электросети, а критерий работоспособности вычисляют по формулам

где P_n активная мощность n-й фазы электросети;
Q_n реактивная мощность n-й фазы электросети;
T период напряжения в электросети;
Δt_n - временной сдвиг между напряжением и током в n-й фазе электросети;
C параметр, определяющий абсолютную погрешность метода.

2. Устройство контроля работоспособности многофазного электронного счетчика электроэнергии, содержащее блок трансформаторов токов и напряжений, выходы которых подключены к входам датчиков активной и реактивной мощностей, магистраль данных, адреса и прерываний, постоянное и оперативное запоминающие устройства, электронные часы-календарь, пульт управления, дисплей и устройство связи с информационной региональной системой, отличающееся тем, что в него дополнительно введено устройство измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети, входы которого соединены с выходами блока трансформаторов тока и напряжений и электронных часов-календаря, а также вычислитель оценки работоспособности многофазного электронного счетчика электроэнергии, который магистралью данных, адреса и прерываний соединен с выходами датчиков активной и реактивной мощностей, устройства измерения угла сдвига между напряжением и током фаз электросети, с электронными часами-календарем, оперативным и постоянным запоминающими устройствами, пультом управления, дисплеем и устройством связи с информационной региональной системой.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что устройство измерения углов сдвига между напряжением и током фаз электросети выполнено в виде последовательно соединенных формирователя временных стробов напряжений и токов трех фаз, входы которого соединены соответственно с выходом блока трансформатора токов и напряжений и магистралью данных, адреса и прерываний и блока измерения углов сдвига, вход которого подключен к выходу электронных часов-календаря, а выход к магистрали данных, адреса и прерываний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6