Пристрій для вимірювання струму короткого замикання

Пристрій для вимірювання струму короткого замикання, що містить датчик струму, ви хід якого підключений до першого входу аналого-цифрового перетворювача та до першого входу порогового блока, вихід якого з'єднаний з другими входами аналого-цифрового перетворювача та запам'я товуючого блока і зі входом синхронізатора, перший вихід якого підключений до першого входу регістра, другого входу порогового блока та третього входу запам`ятовуючого блоку, перша вхідна цифрова шина якого з'єднана з вихідною цифровою шиною аналого-цифрового перетворювача, а перша вихідна цифрова шина підключена до першої вхідної цифрової шини перетворювача Фур'є, третій вхід якого з'єднаний з другим виходом запам'я товуючого блоку, десять обчислювачів коефіцієнтів Фур'є, др угий ви хід синхронізатора підключений до другого входу перетворювача Фур'є, перша вихідна цифрова шина якого з'єднана з першими вхідними цифровими шинами з першого по восьмий обчислювачів коефіцієнтів Фур'є, другі вхідні цифрові шини з першого по восьмий обчислювачів коефіцієнтів Фур'є підключені до другої ви хідної цифрової шини перетворювача Фур'є, вихідні ци A (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ СТРУМУ КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ 34251 суматора, з'єднаного першим та другим входами відповідно з виходами п'ятого та шостого блоків множення, перший та другий входи кожного з яких підключені відповідно до першого та другого ви ходів першого комутатора, перший та другий входи якого з'єднані відповідно з першим та другим виходами формувача частотних характеристик, з'єднаного входом з інверсним виходом тригера, перший вихід першого комутатора підключений до други х входів першого та четвертого блоків множення, другий ви хід першого комутатора підключений до другого входу третього блоку множення та через інвертор до другого входу др угого блоку множення, виходи першого та др угого блоків ділення з'єднані відповідно з першим та другим виходами пристрою. Використовуючи трансформатор струму як датчик параметра, можна вимірювати СКЗ в сильнострумових електроустановках, але в даному пристрої реалізується лінійна залежність між вхідним та ви хідним сигналами датчика параметра, що призводить до недопустимих похибок вимірювання через нелінійну залежність між вхідним та вихідним сигналами трансформатора струму при вимірюванні струмів, які суттєво перевищують номінальні робочі струми. За прототип обрано пристрій для вимірювання струму короткого замикання (А.с. СРСР № 1798805, М. кл. G06F15/46, бюл. № 8, 1993), який містить датчик струму, ви хід якого підключений до першого входу аналого-цифрового перетворювача (АЦП) та до першого входу порогового блока, вихід якого з'єднаний з другими входами АЦП та запам'ятовуючого блока і зі входом синхронізатора, перший вихід якого підключений до першого входу др угого регістра, а також до другого входу порогового блока та третього входу запам'я товуючого блока, перша вхідна цифрова шина якого з'єднана з вихідною цифровою шиною АЦП, а перша вихідна цифрова шина підключена до першої вхідної цифрової шини перетворювача Фур'є, третій вхід якого з'єднаний з другим виходом запам'ятовуючого блока, другий ви хід синхронізатора підключений до другого входу перетворювача Фур'є, перша вихідна цифрова шина якого з'єднана з першими вхідними цифровими шинами з першого по восьмий обчислювачів коефіцієнтів Фур'є (ОКФ) та з др угою вхідною цифровою шиною першого регістра, третя вхідна цифрова шина якого та другі вхідні цифрові шини з першого по восьмий ОКФ підключені до другої вихідної цифрової шини перетворювача Фур'є, п'ятий вихід син хронізатора з'єднаний з першим входом першого регістра, перша вихідна цифрова шина якого підключена до третіх вхідни х цифрових шин першого, другого, п'ятого та шостого ОКФ та до перших вхідних цифрових шин дев'ятого та десятого ОКФ, друга вихідна цифрова шина першого регістра з'єднана з четвертими вхідними цифровими першого, другого, п'ятого та шостого ОКФ та з другими вхідними цифровими шинами дев'ятого та десятого ОКФ, вихідні цифрові шини з першого по десятий ОКФ з'єднані відповідно з цифровими вхідними шинами, починаючи з третьої і по дванадцяту, другого регістра, другий вхід якого з'єднаний з четвертим виходом синхронізатора, вихідні цифрові шини з першої по десяту другого регістра підключені від повідно до вхідних цифрови х шин з першого по десятий ЦАП, виходи яких відповідно з'єднані з першими входами з першого по десятий блоків множення (БМ), виходи яких підключені відповідно з першого по десятий входами суматора, третій вихід синхронізатора з'єднаний зі входами з першого по п'ятий генераторів сигналів, перші виходи яких підключені відповідно до других входів першого, третього, п'ятого, сьомого та дев'ятого БМ, а другі ви ходи з першого по п'ятий генераторів сигналів з'єднані відповідно з другими входами другого, четвертого, шостого, восьмого та десятого БМ, вихід суматора з'єднаний з виходом пристрою. Головним недоліком даного пристрою є те, що пристрій не дозволяє вимірювати з високою точністю стр ум короткого замикання, коли останній заданий в електричній мережі тільки першою гармошкою, що дуже часто має місце в реальних електричних мережах. Крім того, додаткова похибка при вимірюванні струму короткого замикання вноситься за рахунок того, що нелінійна характеристика перетворення трансформатора струму описується поліномом п'ятого порядку, а необхідно враховувати члени поліному до дев'ятого порядку. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення пристрою для вимірювання струму короткого замикання, в якому за рахунок введення нових блоків та зв'язків між ними з'я вляється можливість вимірювати струм короткого замикання в електричній мережі, який задається тільки першою гармонікою, а також враховувати нелінійність характеристики трансформатора струму, яка описується поліномом дев'ятого порядку, що дає можливість досягти підвищення точності роботи пристрою. Поставлена задача досягається тим, що в пристрій для вимірювання струму короткого замикання, що містить датчик струму, вихід якого підключений до першого входу АЦП та до першого входу порогового блока, вихід якого з'єднаний з другими входами АЦП та запам'ятовуючого блока і зі входом синхронізатора, перший вихід якого підключений до першого входу регістра, др угого входу порогового блока та третього входу запам'ятовуючого блоку, перша вхідна цифрова шина якого з'єднана з вихідною цифровою шиною АЦП, а перша вихідна цифрова шина підключена до першої вхідної цифрової шини перетворювача Фур'є, третій вхід якого з'єднаний з другим виходом запам'я товуючого блоку, другий вихід синхронізатора підключений до другого входу перетворювача Фур'є, перша вихідна цифрова шина якого з'єднана з першими вхідними цифровими шинами з першого по восьмий ОКФ, другі вхідні цифрові шини з першого по восьмий ОКФ підключені до другої ви хідної цифрової шини перетворювача Фур'є, ви хідні цифрові шини з першого по десятий ОКФ підключені відповідно до вхідних цифрови х шин, починаючи з третьої і по дванадцяту, регістра, другий вхід якого з'єднаний з четвертим виходом синхронізатора, вихідні цифрові шини з першої по десяту регістра підключені відповідно до вхідних цифрових шин з першого по десятий ЦАП, третій ви хід син хронізатора з'єднаний зі входом генератора сигналів, перший вихід якого підключений до другого входу першого БМ, а другий ви хід генератора сигналів з'єднаний з другим входом другого БМ, перший 2 34251 суматор (раніше називався суматор), перший і другий входи якого з'єднані відповідно з виходами першого і другого БМ, а вихід підключений до виходу пристрою, введено два суматори, причому виходи першого, третього, п'ятого, сьомого та дев'ятого ЦАП підключені до входів, починаючи з першого і по п'ятий відповідно, другого суматора, а виходи другого, четвертого, шостого, восьмого та десятого ЦАП з'єднані зі входами, починаючи з першого і по п'ятий відповідно, третього суматора, перша вихідна цифрова шина перетворювача Фур'є підключена до перших вхідних ци фрових шин дев'ятого та десятого ОКФ, другі вхідні цифрові шини яких з'єднані з другою вихідною цифровою шиною перетворювача Фур'є, ви ходи друго го та третього суматорів підключені відповідно до перших входів першого та др угого БМ. За рахунок введення в пристрій двох суматорів, а також відповідних зв'язків з'являється можливість вдосконалити вимірювання струму короткого замикання в електричній мережі, який задається тільки першою гармонікою, а також враховувати нелінійність характеристики трансформатора струму, яка описується поліномом дев'ятого порядку, що дає можливість досягти підвищення точності роботи пристрою. Пристрій для вимірювання струму короткого замикання пояснюється кресленням на фігурі, на якому зображена його структурна схема. На схемі: 1 - датчик струму; 2 - пороговий блок; 3 - АЦП; 4 - запам'ятовуючий блок; 5 - перетворювач Фур'є; 6 - синхронізатор; 7-16 - з першого по десятий ОКФ; 17 - регістр; 18-27 - з першого по десятий ЦАП; 28 - другий суматор; 29 - третій суматор; 30 - генератор сигналів; 31 - перший БМ; 32- другий БМ; 33 - перший суматор, причому вихід датчика струму 1 підключений до першого входу АЦП 3 та до першого входу порогового блока 2, вихід якого з'єднаний з другими входами АЦП 3 та запам'ятовуючого блока 4 і зі входом синхронізатора 6, перший вихід якого підключений до першого входу регістра 17, другого входу порогового блока 2 та третього входу запам'ятовуючого блока 4, перша вхідна цифрова шина якого з'єднана з вихідною цифровою шиною АЦП 3, а перша вихідна цифрова шина підключена до першої вхідної цифрової шини перетворювача Фур'є 5, третій вхід якого з'єднаний з другим виходом запам'ятовуючого блока 4, другий вихід синхронізатора 6 підключений до другого входу перетворювача Фур'є 5, перша вихідна цифрова шина якого з'єднана з першими вхідними цифровими шинами з першого 7 по восьмий 14 ОКФ, другі вхідні цифрові шини з першого 7 по восьмий 14 ОКФ підключені до другої вихідної цифрової шини перетворювача Фур'є 5, вихідні цифрові шини з першого 7 по десятий 16 ОКФ підключені відповідно до вхідних цифрових шин, починаючи з третьої і по дванадцяту, регістра 17, другий вхід якого з'єднаний з четвертим виходом синхронізатора 6, вихідні цифрові шини з першої по десяту регістра 17 підключені відповідно до вхідних цифрових шин з першого 18 по десятий 27 ЦАП, третій вихід синхронізатора 6 з'єднаний зі входом генератора сигналів 30, перший вихід якого підключений до другого входу першого БМ 31, а другий ви хід генератора сигналів 30 з'єднаний з другим входом другого БМ 32, перший і другий входи першого суматора 33 з'єднані відповідно з виходами першого 31 і другого 32 БМ, а вихід підключений до виходу пристрою, виходи першого 18, третього 20, п'ятого 22, сьомого 24 та дев'ятого 26 ЦАП підключені до входів, починаючи з першого і по п'ятий відповідно, другого суматора 28, а виходи другого 19, четвертого 21, шостого 23, восьмого 25 та десятого 27 ЦАП з'єднані зі входами, починаючи з першого і по п'ятий відповідно, третього суматора 29, перша вихідна цифрова шина перетворювача Фур'є 5 підключена до перших вхідних цифрових шин дев'ятого 15 та десятого 16 ОКФ, другі вхідні цифрові шини яких з'єднані з другою вихідною цифровою шиною перетворювача Фур'є 5, виходи др угого 28 та третього 29 суматорів підключені відповідно до перших входів першого 31 та другого 32 БМ. Запропонований пристрій працює так. Якщо вимірюються невеликі значення струмів, тобто значення, коли датчик струму (трансформатор струму) 1 працює на лінійній ділянці характеристики перетворення, то пристрій знаходиться в режимі очікування, а вихідний сигнал I 2 (t ) , який залежить від вхідного I1 (t ) , знімається безпосередньо з виходу датчика стр уму 1. Якщо вимірюється СКЗ (в такому випадку датчик струму 1 працює на ділянці насичення характеристики перетворення), то при цьому спрацьовує пороговий блок 2, який запускає АЦП 3 та розблокує запам'ятовуючий блок 4. При цьому вихідний сигнал I 2 (t ) датчика струму 1 перетворюється за допомогою АЦП 3 в цифровий код та записується в запам'ятовуючому блоці 4. Через певний час, що задається за допомогою порогового блока 2, на його виході з'являється сигнал логічного нуля, проводиться блокування АЦП 3 та припиняється надходження цифрової інформації в запам'ятовуючий блок 4. Одночасно цим же сигналом вмикається синхронізатор 6. Відомо, що залежність I 2 = f (I 1 ) апроксимується поліномом виду 5 7 9 (1) I 2 = C1I 1 + C 3 I 3 + C5 I 1 + C 7 I 1 + C9 I 1 1 де C1 , C 3 , C 5 , C 7 , C 9 - коефіцієнти полінома. Передаточна функція датчика струму W (p) = k (1 + TM p ) 1 + Tp (2) Оскільки датчик струму 1 є нелінійною системою і її можна представити у вигляді послідовного з'єднання динамічної ланки з відповідною ваговою характеристикою та нелінійності (1), то для неї справедливе інтегральне рівняння Вольтера 9 ¥ ¥ i= 1 -¥ -¥ I2(t) =å i ò...i...ògi (ti ,..., i )I1(t -t1)... 1(t -ti )dt1...dti , C t I ( (3) ) де і=1, 3, 5, 7, 9, g i = t 1,...,t i - і - мірна вагова характеристика, якій притаманна властивість сепарабельності. Розкладемо відомий сигнал I 2 (t ) в ряд Фур'є I 2 (t ) = m ål e i= -m i jiw1 t (4) на відрізку [0,Т 1], де Т 1 - час спостереження, w1 = 2p / T1 - частота першої гармоніки розкладу, 3 34251 а невідомий сигнал I 1 (t ) зобразимо також рядом Фур'є у вигляді (5) I1 (t ) = h ±1 e jw1t a 1 і b 1 можна обчисn 1 і d 1 за математичними Наприклад, коефіцієнти лити через коефіцієнти виразами (T - TM )w 1 1 + TTMw 12 a1 = n 1 × + d1 2 2 2 C1 k 1 + TM w 1 C 1 k 1 + T Mw 12 з невідомим коефіцієнтом h ±1 . Підставляючи (4), (5) в рівняння (3) та знаходячи в ньому інтеграли з урахуванням властивості сепарабельності отримаємо вираз ¥ åλ -¥ ± j3 ω 1 t +C3h3±1e i e j i ω 1t = C 1h ±1 e± j ω 1 t W (± j ω 1 ( b1 = n1 × )+ W3(± jω 1) +...+C 9h 91 e± j9ω1 tW 9(± jω1) , ± (6) l ±5 = C5 h W (± jw1 ) , 7 ±1 9 ±1 b1 (7) B1 = l ±1 , C1 W(± jw 1 ) h ±1 = (8) 5 åb або 1 9 l± 9 . C 9 W 9 (± jw1 ) Оскільки вирази для обчислення коефіцієнта або Фур'є h ±1 подані в комплексній формі, то для апаратурної реалізації потрібно здійснити їх перетворення до тригонометричної форми. Враховуючи, що або (9) де n i , d i - коефіцієнти розкладу сигналу I 2 (t ) в тригонометричний ряд Фур'є, а h ±1 = a 1 m jb 1 2 або (10) (12) i i 5 ( ) ( ) a 1 = f (n 3 , d 3 ) , b1 = f (n 3 , d 3 ) , (14) a 1 = f (n 5 , d 5 ) , b1 = f (n 5 , d 5 ) , a 1 = f (n 7 , d 7 ) , b 1 = f (n 7 , d 7 ) , a 1 = f (n 9 , d 9 ) , b1 = f (n 9 , d 9 ) , Для спрощення структури даного пристрою розв'язки згідно виразів (14) запрограмовані в ОКФ де a 1 , b 1 - коефіцієнти розкладу сигналу I 1 (t ) в тригонометричний ряд Фур'є, підставимо (9), (10) в (8) та шляхом перетворень отримаємо вирази для обчислення коефіцієнтів , a 1 = f (n 1 , d1 ) , b 1 = f (n 1 , d1 ) , l ±7 , C 7 W 7 ( ± jw 1 ) n i m jd i , 2 i i чення w 1 вважаються відомими. Необхідно відзначити, що вирази типу (11) можуть бути записані і в такому вигляді 1 7 l±i = n i і di , знайти всі a 1 і відновлюємо вхідний сигнал I1 (t ) . При цьому параметри датчика струму та зна 1 h ±1 = åa () l±5 , C 5 W 5 (± jw 1 ) ) можна об де i=1, 3, 5, 7, 9. Підставляючи (12) в тригонометричний ряд Фур'є (13) I 1 t = A 1 cos w1 t + B1 sin w1 t 3 l±3 , h ±1 = 3 C3 W ( ± jw 1 ) h ±1 = b1 (11) через коефіцієнти розкладу в ряд Фур'є відо A1 = h ±1 . 1 5 і ) мого сигналу I 2 (t ) , а потім обчислити середні значення знайдених коефіцієнтів за формулами l±7 = C7 h W (± jw 1 ) , l±9 = C9 h W 9 (± jw 1 ) . h ±1 = ( a1 де і = 1, 3, 5, 7, 9. Тому доцільно 7 Звідси знаходимо ) 1 + TTMw + d1 2 2 C1 k 1 + TMw 1 2 1 числити за будь-якою парою коефіцієнтів l±1 = C1 h ± 1 W(± jw1 ) l± 3 = C 3 h 3 1W 3 ( ± jw 1 ) , ± 5 ( 2 C1k 1 + TMw12 ( Очевидно, що коефіцієнти в якому W (± jw ) - комплексний коефіцієнт передачі лінійної частини в схемі заміщення трансформатора струму. Розглядаючи його як тотожність, отримаємо систему рівнянь, котра в розгорнутому вигляді для і=1, 3, 5, 7, 9 має вигляд 5 ±1 (TM - T)w1 ) ni , d i , де і=1, 3, 5, 7, 9. Тому, наприклад, коефіцієнт a 1 ви7-16 з урахуванням граничних значень a1 і b1 . значається на виході ОКФ 7 при наявності на його двох входах відповідно значень 4 n1 та d1 . 34251 Отже, після спрацьовування синхронізатора 6 робота пристрою здійснюється за тактами. В першому такті на другому виході синхронізатора 6 з'являється сигнал логічної одиниці, який подається в перетворювач Фур'є 5, після чого останній зчитує дані із запам'ятовуючого блока 4. По закінченню зчитування в перетворювачі Фур'є 5 обчислюються коефіцієнти ni , d i , де По дев'ятому такту сигнал логічної одиниці з другого виходу синхронізатора 6 поступає в перетворювач Фур'є 5, на першій та другій вихідних шинах якого встановлюються сигнали n 9 та d 9 . Одночасно на виходах ОКФ 15 та 16 з'являються відповідні їм значення коефіцієнтів a 9 та b 9 , які по десятому такту синхронізатора 6 записуються в регістр 17. При записуванні цифрових кодів, відповідних і=1, 3, 5, 7, 9, а значення n 1 та d 1 встановлюються на його першій та другій вихідних шинах, які подаються на відповідні входи першого 7 та другого 8 ОКФ. При цьому на виходах останніх формуються відповідно коефіцієнтам a i , b i , де і=1, 3, 5, 7, 9, в регістр 17 на виходах ЦАП 18-27 формуються ті ж значення коефіцієнтів в аналоговій формі. По одинадцятому такту роботи синхронізатора 6 на його третьому виході з'являється сигнал логічної одиниці, який запускає генератор сигналів 30. На першому виході генератора формується сиг a 1 та b 1 , які залежать від значень n 1 та d 1 , і по др угому такту синхро коди значень коефіцієнтів нізатора б записуються в регістр 17. По третьому такту сигнал логічної одиниці з другого виходу синхронізатора 6 подається в перетворювач Фур'є 5, на першій та другій вихідних sin (w 1t ) , а на другому ви ході - сигнал, що відповідає cos (w 1t ) . нал, що відповідає значенню шинах якого встановлюються сигнали n 3 та d 3 . Одночасно на виходах ОКФ 9 та 10 з'являються Вихідні сигнали ЦАП 18-27 подаються на входи другого 28 та третього 29 суматорів відповідно, в яких ці сигнали сумуються та виконується операція визначення середнього значення коефіцієн відповідні їм значення коефіцієнтів a 3 та b 3 , які по четвертому такту син хронізатора б записуються в регістр 17. По п'ятому такту сигнал логічної одиниці з другого виходу синхронізатора 6 поступає в перетворювач Фур'є 5, на першій та другій вихідних шинах тів a1 і b1 . З виходів другого 28 та третього 29 суматорів сигнали подаються на перший 31 та другий 32 БМ відповідно, а потім на перший суматор 33, на виході якого по одинадцятому такту роботи синхронізатора 6 починає з'я влятися відновлений вхідний якого встановлюються сигнали n 5 та d 5 . Одночасно на виходах ОКФ 11 та 12 з'являються відпо сигнал відні їм значення коефіцієнтів a 5 та b 5 , які по шостому такту синхронізатора 6 записуються в регістр 17. По сьомому такту сигнал логічної одиниці з другого виходу синхронізатора б поступає в перетворювач Фур'є 5, на першій та другій вихідних I ¢ (t ) , обчислений 1 згідно виразу (13) і змі I ¢ (t ) на час пере1 сигналу I ¢ (t ) відбува1 щений в часі відносно сигналу творювань. Відновлення ється на ділянці часу, яка дорівнює часу зчитування спотвореного сигналу через АЦП 3 в запам'ятовуючий блок 4, тобто часу роботи порогового блока 2. Останнім дванадцятим тактом синхронізатор 6 повертається в початкове положення, а також обнуляє пороговий блок 2, запам'ятовуючий блок 4 та регістр 17. шинах якого встановлюються сигнали n 7 та d 7 . Одночасно на виходах ОКФ 13 та 14 з'являються відповідні їм значення коефіцієнтів a 7 та b 7 , які по восьмому такту синхронізатора 6 записуються в регістр 17. 5 34251 Фіг. 6 34251 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 7