Цифровий аналізатор коливань напруги в електричних мережах

Цифровий аналізатор коливань напруги в електричних мережах, що містить послідовно з'єднані вхідний пристрій, аналоговий мультиплексор і аналого-цифровий перетворювач, причому інформаційні входи вхідного пристрою є входами аналізатора, а перший інформаційний вхід вхідного пристрою підключений до першого входу блока керування, шина обміну якого через C2 2 (19) 1 3 системної шини з'єднана з пристроєм обробки і відображення інформації, а перші виходи блока управління підключено до входів управління аналогового мультиплексора. Структура відомого цифрового аналізатора забезпечує вимірювання і оцінку лише деякого переліку показників якості електроенергії, задекларованих в міждержавному стандарті ГОСТ 13109-97, зокрема, повільних коливань і відхилень напруги, коефіцієнта несинусоїдальності напруги мережі та коефіцієнтів окремих гармонік. Проте, така інформація не є вичерпною, оскільки базується на основі розкладу напруг у гармонійний ряд і дає лише загальні поняття про граничні зміни напруги на енергооб'єкті. Оскільки напруги електричних мереж нелінійних і різко змінних навантажень містять не лише гармоніки а й інтергармоніки, то за цими даними не можливо точно оцінити та проаналізувати реальні процеси в електричних мережах і виявити причини погіршення якості електроенергії, що стимулювало б розробці й застосуванню ефективних заходів для забезпечення електромагнітної сумісності. Крім цього, брак інформації не дозволяє оперативно реагувати на наявні електромагнітні завади в електричних мережах шляхом швидкого їх виявлення і вживанню заходів для зниження їх впливу. Отже, цей прототип має обмежені функціональні можливості для вимірювань і оцінки електромагнітних завад в електричних мережах, зокрема не дозволяє всебічно контролювати і аналізувати якість електричної енергії в мережах змінної та постійної напруги. В основу винаходу поставлене завдання створити цифровий аналізатор коливань напруги в електричних мережах з розширеними функціональними можливостями, в якому завдяки введенню нових елементів та зв'язків забезпечується вимірювання й оцінка показників якості електричної енергії у квазіусталених режимах електричних мереж змінної та постійної напруги, а тим самим підвищити надійність і ефективність роботи силового та побутового електрообладнання. Поставлене завдання досягається за рахунок того, що в цифровий аналізатор коливань напруги в електричних мережах, котрий містить послідовно з'єднані вхідний пристрій, аналоговий мультиплексор і аналого-цифровий перетворювач, причому інформаційні входи вхідного пристрою є входами аналізатора, а перший інформаційний вхід вхідного пристрою підключено до першого входу блоку управління, шина обміну якого через першу шину обміну пристрою інтерфейсу системної шини з'єднана з пристроєм обробки і відображення інформації, а перші виходи блока управління підключено до входів управління аналогового мультиплексора, згідно винаходу, додатково містить пристрій попереднього опрацювання даних, пристрій енергонезалежної пам'яті та формувач еталонних сигналів, причому виходи аналого-цифрового перетворювача з'єднані з першими входами пристрою попереднього опрацювання даних, перші та другі 80553 4 шини обміну якого підключені , відповідно, до другої шини обміну пристрою інтерфейсу системної шини та першої шини обміну пристрою енергонезалежної пам'яті, а другий вихід і другий вхід блока управління з'єднано, відповідно, з другим входом і першим виходом пристрою попереднього опрацювання даних, другий вихід якого підключено до входу керування аналогоцифрового перетворювача, а його третій вихід - до входу управління формувача еталонних сигналів, виходи якого під'єднано до третіх входів пристрою попереднього опрацювання даних, третя шина обміну пристрою інтерфейсу системної шини з'єднана з другою шиною обміну пристрою енергонезалежної пам'яті. За рахунок введення нових елементів та взаємозв'язків одержана універсальна структура, що забезпечує розширення функціональних можливостей, а саме - можливість вимірювання параметрів, що дозволяють контролювати спотворення вхідних напруг та основні параметри якості електроенергії при різноманітних коливних процесах в мережі. Це дозволяє всебічно аналізувати та контролювати якість електроенергії в мережах змінної та постійної напруги, що сприяє підвищенню надійності і ефективності роботи різноманітного технологічного, силового та побутового електрообладнання. На кресленні представлена функціональна схема цифрового аналізатора коливань напруги в електричних мережах. Цифровий аналізатор коливань напруги в електричних мережах містить вхідний пристрій 1, аналоговий мультиплексор 2, аналого-цифровий перетворювач 3, блок управління 4, пристрій інтерфейсу системної шини 5, пристрій обробки і відображення інформації 6, пристрій попереднього опрацювання даних 7, пристрій енергонезалежної пам'яті 8, формувач еталонних сигналів 9. Вхідний пристрій 1, аналоговий мультиплексор 2 і аналого-цифровий перетворювач 3 з'єднані послідовно, причому інформаційні входи вхідного пристрою 1 є входами аналізатора, а перший інформаційний вхід вхідного пристрою 1 підключено до першого входу блоку управління 4. Шина 10 обміну останнього через першу шину 11 обміну пристрою інтерфейсу системної шини 5 з'єднана з пристроєм обробки і відображення інформації 6. Перші виходи блока управління 4 підключено до входів управління аналогового мультиплексора 2. Виходи аналого-цифрового перетворювача 3 з'єднані з першими входами пристрою попереднього опрацювання даних 7, перші та другі шини обміну якого підключені , відповідно, до другої шини 12 обміну пристрою інтерфейсу системної шини 5 та першої шини 13 обміну пристрою енергонезалежної пам'яті 8. Другий вихід і другий вхід блока управління 4 з'єднано, відповідно, з другим входом і першим виходом пристрою попереднього опрацювання даних 7. Другий вихід останнього підключено до входу керування аналого-цифрового перетворювача 3, а його третій вихід - до входу управління формувача еталонних сигналів 9, 5 виходи якого під'єднано до третіх входів пристрою попереднього опрацювання даних 7. Третя шина 14 обміну пристрою інтерфейсу системної шини 5 з'єднана з другою шиною обміну пристрою енергонезалежної пам'яті 8. Цифровий аналізатор коливань напруги в електричних мережах працює наступним чином. Контрольовані сигнали електромережі UA, UB, Uc, UAB, UBC, UCA, що надходять на входи аналізатора, масштабуються за допомогою вхідного пристрою 1 до необхідного рівня. Аналогічно як в прототипі для корекції інструментальних похибок вузлів опрацювання аналогових сигналів також до вхідного пристрою 1 під'єднюється зразкова напруга UО. Її алгоритм функціонування схожий до того, що використовується в прототипі. В подальшому названі сигнали через аналоговий мультиплексор 2 почергово в часі підключаються до входу аналого-цифрового перетворювача 3. За допомогою останнього контрольовані аналогові сигнали, пропорційні до миттєвих значень напруг в електричній мережі, перетворюються в масиви відповідних цифрових кодів. Одночасно одна з контрольованих напруг, наприклад UA, надходить на блок управління 4 з метою формування ним сигналів синхронізації процесу вимірювання і управління всіма основними вузлами аналізатора. Це відбувається таким чином. Одразу після включення аналізатора блок управління 4 фіксує перший момент переходу через нуль кривої сигналу UA, з якого починається підготовчий цикл, підчас якого одночасно виконуються дві процедури. Перша з них складається з таких операцій. Спочатку пристроєм обробки і відображення інформації 6 за допомогою пристрою інтерфейсу системної шини 5 через другу шину обміну останнього надсилається пакет цифрової інформації, необхідної для ініціалізації пристрою попереднього опрацювання даних 7 і програма його подальшої роботи. Також пристрій обробки і відображення інформації 6 через першу шину обміну пристрою інтерфейсу системної шини 5 забезпечує початкове встановлення вузлів блока управління 4. В подальшому пристрій попереднього опрацювання даних 7 здійснює підготовку до роботи аналогового мультиплексора 2 через блок управління 4, а також - аналого-цифрового перетворювача 3, пристрою енергонезалежної пам'яті 8 та формувача еталонних сигналів 9. Друга процедура полягає у визначенні періоду повторення Т сигналу UA та тривалостей його обох половин t+ і t_. При цьому, по закінченні першої половини періоду (t+ чи t_) обчислюється часовий інтервал дискретизації вхідних сигналів, відповідно tdc+ чи tdc_, а потім фіксується момент закінчення першого періоду. Власне його значення Т розраховується на початку наступного періоду, а також визначається інтервал дискретизації для другого півперіоду, що стосується Т. Надалі виконується лише вимірювальний цикл. Протягом другого та наступних періодів здійснюється як комплекс необхідних вимірювань, 80553 6 так і описана вище друга процедура обчислення t+,t_,T, tdc+, tdc_, як в першому періоді. Характерною особливістю даного аналізатора є запровадження двох окремих етапів вимірювання, кожен з яких здійснюється, відповідно пристроєм попереднього опрацювання даних 7 (перший), що представляє собою однокристальний мікроконтролер, та пристроєм обробки і відображення інформації 6 (другий), який є персональним комп'ютером. Перший етап здійснюється практично неперервно і може перериватись лише оператором за допомогою певної команди, переданої пристроєм обробки і відображення інформації 6 через пристрій інтерфейсу системної шини 5 пристрою попереднього опрацювання даних 7. Другий етап виконується протягом встановленого часового інтервалу дослідження і циклічно (через певні проміжки часу) або однократно при проведенні єдиного вимірювання, наприклад при експертному дослідженні якоїсь ділянки електромережі. Тоді, пристрій обробки і відображення інформації 6 після автоматичного отримання сигналу готовності від пристрою попереднього опрацювання даних 7 періодично сприймає від другої шини обміну пристрою незалежної пам'яті 8 через третю шину обміну пристрою інтерфейсу системної шини 5 вимірювальну інформацію. Підчас першого етапу з виходу аналогоцифрового перетворювача З, роботою якого керує пристрій попереднього опрацювання даних 7, послідовно в часі з інтервалом tdc+ або tdc_ (розрахованим у попередньому періоді, в залежності від того, з якого півперіоду почата робота) на шину перших входів пристрою попереднього опрацювання даних 7 надходять кодові сигнали, пропорційні миттєвим j-м значенням вхідних напруг, а саме – {NUA}j, {NUB}j, {NUCA}j, {NUAB}j, {NUBC}j, {NUCA}j. Поряд з цим відбувається перетворення групи сигналів {NU0}, що представляє собою набір постійних зразкових напруг. Далі в пристрої 7, що представляє собою однокристальний мікроконтролер, по мірі надходження в часі, над масивами, що відповідають j-м миттєвим значенням вхідних напруг, здійснюються операції {NUA }j - {NUA 0 }j = {DNUA }j ; {NUB }j - {NUB0 }j = {DNUB }j ; {NUC }j - {NUC0 }j = {DNUC }j ; {NUAB }j - {NUAB0 }j = {DNUAB }j ; {NUCA }j - {NUCA0 }j = {DNUCA }j , (1) де {NUA0}j, {NUB0}j, {NUC0}j, {NUAB0}j, {NUBC0}j, {NUCA0}j - відповідні масиви кодів еталонних сигналів , записаних в формувач 9 , який реалізується на базі пристроїв сталої пам'яті (наприклад, типу flash). Дані масиви кодів відображають синусоїдальні сигнали симетричної трифазної системи напруг зі сталою кількістю точок дискретизації на період повторення, причому 7 80553 N UA 0 å = NUB 0 å = NUC0 å = N UAB 0 å = NUBC0 å = NUCA 0 å = N 0 å , а знак å означає весь об'єм для кожного з масивів, який містить n точок апроксимації для половини періоду повторення, тобто j = 1...n. Відмінність між цими масивами полягає в тому, що зсув фази між фазними (лінійними) складає 720°, а між масивами фазних і лінійних напруг - 30°. Коди амплітудних значень еталонних сигналів відповідають номінальним значенням напруги мережі або вихідних обмоток вимірювальних трансформаторів, визначених відповідними стандартами України. У вcix j-x тактах вимірювання, отримані згідно (1) масиви j-x кодів різниць надалі послідовно перетворюються за одним і тим же виразом DNCMl = å ( DN j Ul ) 2 , (2) де DNUl і DNCMl - миттєві і інтегральні значення кодів, які відповідають одній з l величин (контрольованим фазній чи лінійній напругам). Оскільки в даному аналізаторі забезпечується однакове число точок дискретизації на період повторення Т (а також на t+ і t_), яке зручно вибрати кратним числу 2, то операція усереднення кожного з результатів (2), що відбувається на початку наступного періоду повторення, спрощується і полягає у відкиданні певної кількості розрядів в DNCMl , ЩО дає середньоквадратичні значення (СКЗ) DNCKl . Описаним чином пристрій попереднього опрацювання даних 7 здійснює неперервне перетворення вхідних напруг протягом кожних біжучих t+, t_,T. Поряд з цим, пристроєм 7 інформація про DNUl , DNCMl , DNCKl та супровідні t+, t_,T заноситься в пристрій енергонезалежної пам'яті 8 по його першій шині обміну. Крім того, в останньому проводиться накопичення СКЗ DNCKl за інтервали часу 1с. та 10с., після чого пристроєм попереднього опрацювання даних 7 формується відповідний сигнал, який передається по другій шині обміну пристроєм інтерфейсу системної шини 5 на пристрій обробки і відображення інформації 6 (персональний комп'ютер). Одночасно припиняється процес вимірювання, тобто пристроєм 7 встановлюються певні керівні сигнали для аналого-цифрового перетворювача 3, формувача еталонних сигналів 9 та блока управління 4 і через останнього для аналогового мультиплексора 2. Причому, в пристрої 7 зберігається програма його роботи. Далі починається другий етап вимірювання аналізатора. При цьому пристроєм обробки і відображення інформації 6 ініціюється приймання вимірювальної інформації через третю шину обміну пристрою інтерфейсу системної шини 5 від другої шини обміну пристрою енергонезалежної пам'яті 8. В подальшому здійснюється комплекс обчислень з метою конкретного аналізу отриманих даних і розрахунку необхідних показників якості електроенергії, використовуючи обчислювальні 8 можливості пристрою 6 (персонального комп'ютера). При цьому, миттєві значення вхідних напруг опрацьовуються за алгоритмом вейвлетперетворення згідно виразу mcp[DNCKl ( t ), y( t, a, b)] = +¥ ò DN -¥ CKl ( t ) × 1 a æt -bö y*ç ÷dt, è a ø (2) де b та а - зміщення та масштаб базової вейвлет-функції y, , а y * - функція, комплексно спряжена до останньої. Отриманий масив коефіцієнтів несе інформацію про спектральний склад вхідних сигналів та його поведінку в часі. При цьому визначається не лише коефіцієнт несинусоїдальності контрольованих напруг, але й експрес-аналіз частотного розподілу енергії. Таким чином, запропонований цифровий аналізатор представляє собою універсальну структуру з широкими функціональними можливостями для покращеного аналізу, вимірювання та дослідження параметрів якості електроенергії в різноманітних мережах, що характеризуються можливими коливними процесами напруг електричних мереж змінного і постійного струму, підвищує надійність та ефективність роботи різноманітного силового та побутового електрообладнання.