Многофункциональное микропроцессорное устройство для сбора информации о сети при несинусоидальной и несимметричной нагрузке (варианты)

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и предназначено для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии, а также может быть использовано в качестве счетчика-регистратора потерь электроэнергии за каждый час, сутки, месяц. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии от каждой гармонической составляющей тока нагрузки. Технический результат достигается за счет того, что в первом варианте реализации устройство содержит первый-четвертый датчики тока (ДТ) фаз сети "А", "В", "С" и нулевого провода "N", первый и второй датчики температуры, генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК), регистр, цифровой индикатор (ЦИ), первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), компьютер; во втором варианте реализации устройство содержит первый-четвертый (ДТ), первый-пятый датчики температуры, ГПИ, МК, регистр, ЦИ, первый и второй приемопередатчики, ПЗУ, компьютер. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемая группа изобретений относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначена для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии, а также может быть использована в качестве счетчика-регистратора потерь электроэнергии за каждый час, сутки, месяц.

Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [1], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.

Аналогом предлагаемого технического решения является также счетчик потерь электроэнергии [2], содержащий генератор прямоугольных импульсов, компьютер, таймер, таймер-часы, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, индикатор, блок деления, постоянное запоминающее устройство, приемопередатчик, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева (погрешность по этой причине может достигать 40% [3]), а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты) [4], содержащий датчик тока, микроконтроллер, регистр, цифровой индикатор, датчики температуры окружающей среды и электрооборудования, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер.

Недостатком прототипа являются узкие функциональные возможности.

Техническая задача, решаемая изобретением, - расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии от каждой гармонической составляющей тока нагрузки.

Указанная техническая задача (в первом варианте реализации устройства) решается благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты), содержащий первый датчик тока, первый и второй датчики температуры, генератор прямоугольных импульсов, регистр, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, микроконтроллер, входы портов В и С которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков температуры, тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно D - через регистр с входом цифрового индикатора, Е - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - через второй приемопередатчик с входом компьютера, дополнительно введены второй-четвертый датчики тока, причем выходы первого-четвертого датчиков тока соединены соответственно с первым-четвертым разрядами порта А микроконтроллера.

Указанная техническая задача (во втором варианте реализации устройства) решается благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты), содержащий первый датчик тока, первый и второй датчики температуры, генератор прямоугольных импульсов, регистр, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, микроконтроллер, вход порт В которого подключен к выходу первого датчика температуры, тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно D - через регистр с входом цифрового индикатора, Е - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - через второй приемопередатчик с входом компьютера, дополнительно введены второй-четвертый датчики тока и третий-пятый датчики температуры, причем выходы первого-четвертого датчиков тока соединены соответственно с первым-четвертым разрядами порта А микроконтроллера, а выходы второго-пятого датчиков температуры соединены соответственно с первым - четвертым разрядами порта С микроконтроллера.

Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение дополнительных элементов в различных вариантах его реализации:

1) второго-четвертого датчиков тока;

2) второго-четвертого датчиков тока, третьего-пятого датчиков температуры.

К существенным отличиям предлагаемого устройства также относятся организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля и регистрации мощности потерь электроэнергии от каждой гармонической составляющей тока нагрузки.

Схемы первого и второго вариантов реализации устройства представлены соответственно на фиг.1 и фиг.2.

Схема первого варианта реализации устройства (фиг.1) содержит первый-четвертый датчики тока (ДТ) 1-4 фаз сети "А", "В", "С" и нулевого провода "N", первый 5 и второй 6 датчики температуры, генератор 7 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 8, регистр 9, цифровой индикатор (ЦИ) 10, первый 11 и второй 12 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 13, компьютер 14. Выходы первого-четвертого датчиков 1-4 тока соединены соответственно с первым-четвертым разрядами порта А микроконтроллера 8, входы портов В и С которого подключены соответственно к выходам первого 5 и второго 6 датчиков температуры, тактовый вход подключен к выходу генератора 7 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 8 соединены соответственно D - через регистр 9 с входом цифрового индикатора 10, Е - через первый приемопередатчик 11 с входом постоянного запоминающего устройства 13, F - через второй приемопередатчик 12 с входом компьютера 14.

Схема второго вариантов реализации устройства (фиг.2) содержит первый-четвертый датчики тока (ДТ) 15-18 фаз сети "А", "В", "С" и нулевого провода "N", первый-пятый датчики температуры 19-23, генератор 24 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 25, регистр 26, цифровой индикатор (ЦИ) 27, первый 28 и второй 29 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 30, компьютер 31.

Выходы датчиков 15-18 тока соединены соответственно с первым-четвертым разрядами порта А микроконтроллера 25, вход порта В которого подключен к выхода первого 19 датчика температуры, первый-четвертый разряды порта С микроконтроллера 25 подключены к выходам второго-пятого датчиков температуры 20-23, тактовый вход микроконтроллера 25 подключен к выходу генератора 24 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 24 соединены соответственно D - через регистр 26 с входом цифрового индикатора 27, Е - через первый приемопередатчик 28 с входом постоянного запоминающего устройства 30, F - через второй приемопередатчик 29 с входом компьютера 31.

Первый вариант устройства (фиг.1), который используется для контроля кабельных линий (КЛ), работает следующим образом.

Выходное напряжение ДТ 1-4, пропорциональное токам нагрузки I(t) фаз сети "А", "В", "С" и нулевого провода "N", поступает на вход порта А МК 8, разряды которого соединены с входом встроенного в МК 8 АЦП через аналоговый коммутатор. Датчики тока 1-4 могут быть выполнены на измерительных шунтах, включенных в цепь вторичной обмотки трансформаторов тока. Разряды порта А МК 8 с достаточно высокой скоростью поочередно подключаются к входу АЦП таким образом, чтобы получать цифровые коды токов фаз I_Ai, I_Bi, I_Ci и нулевого провода I_Ni 100 раз за период. Эти коды возводятся в квадрат, а суммы квадратов накапливаются в четырех ячейках в течение 1 мин.

Датчиками 5 и 6 один раз в минуту измеряются температура окружающей среды Θ_окр и температура жилы нулевого провода "N" Θ_N.

Как известно, потери мощности в токоведущих элементах (ТЭ) определяются по формуле

$$\Delta P=I^{2}R,(1)$$

где I(t) - изменяющийся во времени ток нагрузки, протекающий по ТЭ;

R - сопротивление ТЭ.

При упрощенных расчетах сопротивление R принимается неизменным во времени и равным сопротивлению R₀ при температуре окружающей среды Θ=20°С или сопротивлению при другой фиксированной температуре.

Точное значение сопротивления R в функции от температуры Θ_ТЭ ТЭ определяется по формуле

$$R=R_0+\alpha R_0({\Theta }_{ТЭ}-{\Theta }_0),(2)$$

где α - температурный коэффициент сопротивления ТЭ; имеет значение для меди α_м=0,0041°С^-11, алюминия α_a=0,0044°С^-1, стали α_ст=0,006°С^-1.

Управление работой устройства осуществляется следующим образом.

Через одинаковые интервалы времени ΔТ=1 мин импульсом с выхода порта D в регистр 9 записывается усредненное за минуту значение потерь мощности ΔР, которое в дальнейшем отображается на цифровом индикаторе 10, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Первый приемопередатчик 11 один раз в час размещает в очередных ячейках ПЗУ 13: дату; час; значение потерь ΔР в соответствующем элементе кабеля за этот час и т.д.

При рассмотренном алгоритме работы устройства в ПЗУ 13 накапливается информация о полных потерях, создаваемых токами нагрузки несинусоидальной формы.

Для дифференциального изучения мощности потерь электроэнергии ΔР_(n), создаваемых каждой n-й гармонической составляющей тока нагрузки, получаемые 100 раз за период выборки токов I_Ai, I_Bi, I_Ci и I_Ni, используются в МК 8 для расчета высших гармоник известными методами: квадратурных составляющих [5, 6] или быстрого преобразования Фурье [7].

Значения мощности потерь ΔP_(n), усредненной за минуту, может также наблюдаться на индикаторе 10 для заданного порядка n высшей гармоники (ВГ) тока нагрузки. Значения мощности потерь ΔP_(n) для порядка ВГ n=2…40 также ежечасно размещаются в ячейках ПЗУ 13.

Во втором варианте применения устройства (при отсутствии доступа к ТЭ, например при контроле потерь в высоковольтных сетях) датчиком 5 измеряется температура окружающей среды Θ_окр, а температура Θ_ТЭ ТЭ определяется по формуле [8]

$$\tau \cdot \frac{d\Theta }{dt}+\Theta =K_R\cdot ({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0)\cdot {\left[\frac{I(t)}{I_{ном}}\right]}^2+{\Theta }_{окр},(3)$$

где $$K_R(\Theta )=\frac{1}{1+\alpha ({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0)}[1+\alpha (\Theta -{\Theta }_0)]$$ - коэффициент изменения сопротивления ТЭ в функции от температуры;

τ - постоянная времени нагрева ТЭ [9];

Θ_ном - номинальная длительно допустимая температура ТЭ;

Θ₀=20°С - температура окружающей среды, принимаемая при определении номинальных параметров ТЭ;

I_ном - номинальный ток ТЭ;

I(t) - ток нагрузки.

Разрешим уравнение (3) относительно производной температуры Θ, а также сделаем замену $$K_R(\Theta )=\frac{1}{1+\alpha ({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0)}[1+\alpha (\Theta -{\Theta }_0)]$$

$$\frac{d\Theta }{dt}=\frac{{\Theta }_{ном}-{\Theta }_0}{\tau [1+\alpha ({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0)]}\cdot [1+\alpha ({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0)]\cdot {\left[\frac{I(t)}{I_{ном}}\right]}^2+\frac{1}{\tau }{\Theta }_{окр}-\frac{1}{\tau }\Theta .(4)$$

Температура Θ_ТЭ ТЭ рассчитывается микроконтроллером 8 по формуле (4) численными методами с высокой точностью, поскольку изменения температуры происходят медленно с постоянной времени τ=5-150 мин.

Второй вариант устройства (фиг.2), который используется для контроля воздушных линий электропередач (ЛЭП), работает аналогично первому варианту за исключением той разницы, что в нем контролируется не только температура нагрева нулевого провода, но также используются датчики температуры фазных проводов 20-22.

Разница в исполнении двух вариантов реализации устройства объясняется тем, что жилы КЛ сосредоточены внутри оболочки на малом расстоянии; поэтому для контроля их температуры достаточно одного датчика 6 (фиг.1). Проводники ЛЭП разнесены на большое расстояние, при разных токах фаз температура проводников фаз и нулевого провода будет сильно отличаться; поэтому для контроля их температуры используются 4 датчика 20-23 (фиг.2).

Преимуществами предлагаемой группы изобретений по сравнению с известными аналогами являются их более высокие функциональные возможности. Схемы вариантов устройства ориентированы на применение современной микроэлектронной основы - микроконтроллеров.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР 2041496, МПК G06F 17/18, 1991.

2. Патент РФ 2380715, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008.

3. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис.… канд. техн. наук. - Омск, 2005.

4. Патент РФ 2449356, МПК G06F 17/18, 2012, 5 независимый пункт формулы (прототип).

5. А.с. СССР 432411, МКИ G01R 23/12. Устройство для измерения амплитуд и фаз гармонических составляющих / Минц М.Я., Чинков В.Н., Папаика М.В. (СССР). - №1862460; Заявл. 26.12.72; Опубл. 15.06.74, Бюл. №22.

6. Цифровая обработка сигналов в измерительной технике / А.А. Горлач, М.Я, Минц, В.Н. Чинков. - Киев: Техника, 1985. - 151 с.

7. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.

8. Гудзовская В.А., Ермаков В.Ф., Балыкин Е.С., Зайцева И.В. Математическая модель процесса изменения температуры нагрева проводника // Изв. вузов. Электромеханика. - 2012. - №2. - С.42-43.

9. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / Под ред. Б.И. Круповича Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. - М.: Энергоиздат, 1981. - С.110, табл.2-14.

1. Многофункциональное микропроцессорное устройство для сбора информации о сети при несинусоидальной и несимметричной нагрузке, содержащее первый датчик тока, первый и второй датчики температуры, генератор прямоугольных импульсов, регистр, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, микроконтроллер, входы портов В и С которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков температуры, тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно D - через регистр с входом цифрового индикатора, Е - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - через второй приемопередатчик с входом компьютера, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй-четвертый датчики тока, причем выходы первого-четвертого датчиков тока соединены соответственно с первым-четвертым разрядами порта А микроконтроллера.

2. Многофункциональное микропроцессорное устройство для сбора информации о сети при несинусоидальной и несимметричной нагрузке, содержащее первый датчик тока, первый и второй датчики температуры, генератор прямоугольных импульсов, регистр, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, микроконтроллер, вход порт В которого подключен к выходу первого датчика температуры, тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно D - через регистр с входом цифрового индикатора, Е - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - через второй приемопередатчик с входом компьютера, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй-четвертый датчики тока и третий-пятый датчики температуры, причем выходы первого-четвертого датчиков тока соединены соответственно с первым-четвертым разрядами порта А микроконтроллера, а выходы второго-пятого датчиков температуры соединены соответственно с первым-четвертым разрядами порта С микроконтроллера.