Спосіб автоматичної верифікації типу споживача електричної енергії

Реферат: Спосіб автоматичної верифікації типу споживача електричної енергії, що містить датчик напруги, сигнал якого використовують для синхронного з напругою виміру струму, що надходить від датчика струму, та до якого застосовують спосіб частотного аналізу у вигляді виділення першої гармоніки та подальшого обчислення коефіцієнту спотворення. Система забезпечує верифікацію типу споживача електричної енергії без необхідності знати графік роботи споживача, або рівень його завантаженості, за допомогою критеріїв верифікації. Система верифікації обчислює єдиний, об'єднуючий для прийняття рішення, параметр на основі відносної похибки між кожним обрахованим та еталонним параметром кожної, внесеної до бази даних моделі, який після обрахування поступає до блока обчислення кінцевого параметра для прийняття рішення щодо вибору най достовірнішої моделі, та з'єднує попередні обраховані значення параметрів похибок для кожної моделі і обчислює збіжність моделі реального споживача електроенергії з моделями, що внесені до бази даних, та вибирає модель з мінімальнім значенням останнього параметру, яка є результатом попередньої верифікації. UA 78998 U (12) UA 78998 U UA 78998 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки та може бути використана в процесі експлуатації сучасних систем обліку, технічного контролю та корекції енергетичних показників мережі живлення. Засіб передбачає верифікацію типу споживача електричної енергії, який з'єднано з системою живлення. Автоматизоване визначення енергетичних моделей споживачів електроенергії підвищує універсальність систем нетрадиційного контролю та обліку електроенергії, що працюють за спрощеними функціоналами та знімає з користувача необхідність заздалегідь знати тип досліджуваного об'єкта. Також систему верифікації можна використовувати для розробки більш гнучкої стратегії енергозаощадження та інтегрувати до складу пристроїв поліпшення складових потужності, коректуючи роботу останніх. Спосіб верифікації можливо застосовувати як до промислових, так і до різноманітних побутових систем керування енергоспоживанням. Наразі існує низка розроблених електротехнічних способів та апаратів, які використовують спрощену ідентифікацію типу навантаження, визначаючи належність споживача до однієї із груп: резистивна, індуктивна, імпульсне джерело живлення або змішана (CN201434997 (Y) 2010-03-31). Очевидним недоліком таких систем є невичерпність параметрів, що характеризують споживача. Інші більш інтелектуальні систем (ЕР0023254 (А2) - 1981-02-04) пропонують вбудовувати чип (ведений пристрій) в кожен споживач електричної енергії та циклічно опитувати споживачів ведучим пристроєм. В даному чипі, що є веденим пристроєм, зберігається різноманітна інформація про тип споживача, графік його завантаженості, максимальний або мінімальний струми споживання тощо. Недоліком таких систем є, по-перше, необхідність вбудовувати чип в кожен споживач електроенергії, по-друге, необхідність організовувати зв'язок між ведучим та відомими пристроями. Очевидно, що вбудовування чипів до працюючих пристроїв не є раціональним кроком, як і організація каналів зв'язку для кожного окремого споживача електричної енергії. Як прототип вибрано спосіб автоматичної верифікації типу споживача електричної енергії, що містить датчик напруги, сигнал якого використовується для синхронного з напругою виміру струму, що надходить від датчика струму, та до якого застосовують спосіб частотного аналізу у вигляді виділення першої гармоніки та подальшого обчислення коефіцієнту спотворення (WO2011055122 (А1)-2011-05-12). Однією зі складових даного способу є система верифікації типу споживача електричної енергії, що розпізнає споживача за унікальним енергетичним підписом. Такий енергетичний підпис автори пропонують визначати використовуючи зміни у фазовому куті, зміни частотних компонент струму та напруги, середнє значення струму та напруги, визначення моменту включення/виключення, визначення реактивної потужності, вплив на одну та на три фази тощо. Більшість таких критеріїв не є універсальними та залежить від характеру експлуатації конкретного споживача в конкретному місці. Для вирішення цієї проблеми автори пропонують використовувати нейронні мережі або інші інструменти штучного інтелекту. Також до інструментів аналізу сигналу додають перетворення Фур'є, фільтри та крос-кореляцію. Вибір конкретного методу аналізу та його реалізація не розкриваються та доручаються спеціалісту,який буде використовувати метод. Суттєвими недоліками вищезазначеного способу є: складність його реалізації; неможливість роботи системи одразу після підключення до мережі, що випливає із необхідності навчання нейронної мережі, написання правил для систем нечіткої логіки тощо; необхідність значної апаратної підтримки для реалізації у реальному часі нейронної мережі, перетворення Фур'є або інших методи цифрової фільтрації, додаткових критеріїв. Задача корисної моделі полягає в удосконаленні способу верифікації типу споживача електричної енергії шляхом постановки у відповідність невідомому споживачеві відомої енергетичної моделі споживача із бази даних. Запропонована система, яку з'єднано в одній точці мережі, має змогу верифікувати одиничного та кожного окремого із споживачів електричної енергії, об'єднаних у групу, та є спостережником, тобто не втручається до роботи мережі живлення та не вимагає додаткових технічних заходів від навантаження. Дана система поєднує у собі низку способів технічного зору та розпізнавання образів, адаптованих до використання в електричних колах з урахуванням особливостей електричної природи досліджуваних сигналів. Технічний результат від використання корисної моделі полягає в автоматизації процесу вводу енергетичної моделі споживача до систем технічного контролю показників електроенергії, таких як [1] та в розширенні можливостей існуючих пристроїв контролю показників електроенергії, таких як "Эрис-КЭ.02", "Pecypc-UF" "Google PowerMeter" тощо. 1 UA 78998 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Також систему верифікації можна використовувати для пристроїв активної фільтрації складових потужності. У такому разі після вдалої верифікації типу споживача основна задача активного фільтру зводиться до вибору із бази даних та генерації у мережу необхідної форми струму (напруги). Система верифікації знімає з системи керування активного фільтру необхідність поточного обчислення значення струму (напруги), що необхідно генерувати у мережу. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб автоматичної верифікації типу споживача електричної енергії містить датчик напруги, сигнал якого використовується для синхронного з напругою виміру струму, що надходить від датчика струму, та до якого застосовують спосіб частотного аналізу у вигляді виділення першої гармоніки та подальшого обчислення коефіцієнту спотворення. Згідно з корисною моделлю система забезпечує верифікацію типу споживача електричної енергії без необхідності знати графік роботи споживача, або рівень його завантаженості, за допомогою критеріїв верифікації, перший з яких перевіряє симетричність сигналу на першій та другій половинах вісі часу, накладаючи на графічний образ паралельні прямі та порівнює точки перетину даних прямих та графічного образу форми струму, та впливає безпосередньо на прийняття рішення щодо вибору моделі, другий критерій обчислює значення коефіцієнту спотворення, третій критерій верифікації обчислює значення на основі похідної, четвертий критерій верифікації на основі похідної з низькою частотою дискретизації обраховується аналогічно попередньому тільки зі зменшенням кроку дискретизації у визначену кількість раз, п'ятий критерій на основі площі заповнення є останнім критерієм, після якого система верифікації обчислює єдиний, об'єднуючий для прийняття рішення, параметр на основі відносної похибки між кожним обрахованим та еталонним параметром кожної, внесеної до бази даних моделі, який після обрахування надходить до блока обчислення кінцевого параметра для прийняття рішення щодо вибору най достовірнішої моделі, та поєднує у собі попередні обраховані значення параметрів похибок для кожної моделі і обчислює збіжність моделі реального споживача електроенергії з моделями, що внесені до бази даних, та вибирає модель з мінімальнім значенням останнього параметра яка є результатом попередньої верифікації, після вибору якої лічильник збільшує своє значення на 1 та перевіряє його на рівність з числом L, при невиконанні якої керування передається таймеру, що формує різні за тривалістю часові затримки та далі запускає блок синхронізації з мережею, в інакшому разі результати верифікації порівнюють між собою на збіг та вибирається найбільш повторюваний варіант, що є остаточним результатом верифікації, який надсилається до основної системи або, у випадку незбіжності усіх варіантів верифікації, значення лічильника скидають на 0, та запускають таймер, який у свою чергу запускає блок синхронізації з мережею і процес верифікації повторюється. Спосіб ілюструється блок-схемою. Спосіб реалізується наступним чином. Перед запуском системи верифікації датчики струму та напруги з'єднують безпосередньо перед одиничним пристроєм або групою споживачів електричної енергії. Сигнал з датчиків напруги надходить до блока синхронізації, з мережею яким може бути аналоговий компаратор (блока 1), сигнал струму з датчиків струму відповідно надходить до аналого-цифрового перетворювача (блок 2). Функція блока синхронізації з мережею полягає в фіксації моменту переходу синусоїдального сигналу напруги через 0. Синхронізація проводиться по зростаючому фронту сигналу, що відповідає значенню функції синусу при 0 градусів. При появі умови синхронізації блок 1 запускає вимір струму, що виконується блоком 2. АЦП (блок 2) починає вимірювати струм мережі, що надходить від датчиків струму, за командою блока L Тривалість вимірювання дорівнює значенню періоду напруги живлячої мережі. Кількість дискретних точок, на які розділяють неперервний сигнал струму, пропонується вибирати кратними числу K  2T , (1) де К - кількість дискретних точок, якими представлено виміряний сигнал; T  N. Запропоновані значення змінної К: 64, 128, 256. АЦП зберігає виміряні дані в оперативній пам'яті цифрової системи, в якій також виконуються усі наступні дії та зберігаються усі проміжні результати обчислень. По закінченню виміру струму наступним кроком виділяють першу гармоніку сигналу струму та визначають її фазу та амплітуду (блок 3). Для зручності обчислень на цифрових системах рекомендується використовувати дискретне перетворення Фурь'є для однієї гармоніки: K X (1 )   n 1 I( n )  e 2  n i K , (2) 2 UA 78998 U 5 10 15 де Х(1) - комплексний вигляд першої гармоніки; I(n) - поточне дискретне значення виміряного сигналу; n - поточне значення номеру точки. Після обчислення першої гармоніки струму у блоці 4 обчислюють перший критерій верифікації: перевіряють симетричність частин сигналу на першій та другій половинах періоду. Результат роботи блока 4 впливає безпосередньо на прийняття рішення верифікації (блок 13): пошук проходить в базі даних симетричних або несиметричних моделей. Симетричність сигналу перевіряють шляхом накладання на графічний образ сигналу парної кількості прямих, які паралельні вісі абсцис (вісь часу), так щоб рівна кількість прямих на рівних відрізках лежала в додатній та від'ємній частинах графіку. При цьому прямі повинні перетинати графічний образ. Якщо значення точок перетину на першій половині періоду (половина вісі часу) дорівнює значенню точок перетину з протилежним знаком на другій половині періоду, сигнал вважається симетричним. Інакше - сигнал несиметричний. Наступний другий критерій верифікації (блок 5) є коефіцієнтом спотворення на основі раніше отриманого значення амплітуди першої гармоніки сигналу струму (блок 3). Даний критерій характеризує величину відмінності вихідного сигналу від синусоїди. Для збільшення швидкості обчислень на цифрових системах пропонується використовувати формулу: Kc  20 2 A1 2  K , K 1  ( I( n ) )2 n 0 (3) де Kc - коефіцієнт спотворення; A1 - амплітуда першої гармоніки сигналу, обчислена в блоці 3. Третій критерій верифікації, за основу якого обрано похідну сигналу, обчислює блок 6 за формулою: K ( I (n) )2 n 0 K d  1000 * , ( I ( n 1 )  I( n ) ) 2 n 1 25 30 (4) де d - результат обрахування критерію на основі похідної. Піднесення до квадрату застосовується для зменшення впливу на результат малих змін сигналу, котрими можуть бути завади каналу виміру або будь-які інші аномальні гармоніки живлячої мережі, що здатні викривити результат верифікації. Даний критерій можна трактувати, як визначення середньої швидкості зміни сигналу на проміжку часу, що за тривалістю дорівнює періоду живлячої мережі. Аналогічним до попереднього є четвертий критерій верифікації: модернізована похідна при низькій частоті дискретизації, що обраховується у блоці 7 K ( I (n) )2 n 0 d'  , K 1000 * ( I n 1 ( K K n ) m m I ( 2 ) K n) m (5) де d' - результат обрахування критерію на основі похідної з низьким кроком дискретизації; m - число, що показує у скільки разів буде зменшено крок дискретизації. 35 40 45 K 8 m Число m рекомендується вибирати виходячи з умови , тобто крок дискретизації буде зменшено у 8 раз. В деякому сенсі даний критерій можна трактувати, як пошук кутів на інтерпретованому графічному образі. П'ятий критерій (блок 8) базується на обчисленні площі заповнення прямокутника, до якого вписано графічний образ. Прямокутник накладають таким чином, щоб дві його сторони були паралельні вісі часу (вісі абсцис), дві інші сторони, відповідно, паралельні вісі ординат. Вісь часу таким чином ділить прямокутник навпіл. Значення половини сторони прямокутника, що співпадає зі стороною ординат, дорівнює максимальному за модулем значенню виміряного сигналу (рис. 1). Пропонується розділяти графічний образ на 8 частин аналогічно блока 7 та розраховувати значення площин для кожної частини прямокутника окремо за формулою: 3 UA 78998 U K ( n 1 ) m I ( j) K n m j S( n )  Imax  , K m (6) де s{n) - значення критерію на основі площі заповнення для n-ї частини прямокутнику. При необхідності економії машинного часу рекомендується використовувати єдиний параметр на виході блока 8 - суму обчислених площин: m sp  5 10 S 2 ( n ), n 0 (7) де sp - єдиний вихідний параметр критерію на основі площі заповнення. Наступним кроком обчислюють єдиний параметр (блоки 9-12), що об'єднує значення, обраховані блоками 5-8. Як такий параметр пропонується використовувати відносну похибку, яка розраховується для кожного з вище приведених критеріїв по кожній енергетичній моделі споживача електричної енергії, що міститься у базі даних. mn  15 (8) де mn - параметр, що характеризує збіг еталонного параметра поточної моделі з обчисленим параметром; рen - еталонний параметр; pn - обчислений параметр. Отримавши значення відносної похибки кожного параметра верифікації по кожній енергетичний моделі обчислюють узагальнюючий параметр М (блок 13), який вказує на ймовірність збігу отриманої моделі з кожною еталонною моделлю споживача електроенергії, що міститься у базі даних, M 20 25 pen  pn , pen m1  k1  m2  k2  ...  mn  kn p k n n 1 , (9) де М - значення останнього параметра, на основі якого приймається рішення щодо вибору моделі; kn - ваговий коефіцієнт w-гo параметра, який відображає значимість даного параметра в процесі верифікації; р - кількість параметрів верифікації. Максимально достовірною моделлю після проведення розрахунків вибирається варіант з мінімальним значенням М у випадку використання як узагальненого критерію відносної похибки: Z  Mmin 30 35 40 45 , (10) дe Z - результат верифікації системи. Після проведення верифікації лічильник (блок 14), збільшує своє значення на 1 та у разі досягнення числа L (кількість проведених спроб верифікації) передає керування блока 16. В іншому разі лічильник запускає таймер (блок 15). Необхідність проведення повторної верифікації витікає з можливості отримання викривленого сигналу струму через виникнення динамічних процесів у досліджуваному об'єкті (пуск, відключення агрегату, технологічні особливості тощо). Таймер (блок 15) призначено для формування різних за величиною затримок часу, для виключення впливу синхронних з динамічним процесом вимірів. При спливанні часової затримки таймер запускає блок синхронізації з мережею (блок 1). Наступним кроком порівнюються результати верифікації (блок 16) та вибирається варіант, що найбільш часто повторюється. Якщо всі варіанти верифікації різні, блок 16 скидає лічильник (блок 14) на 0 та запускає таймер (блок 15), який після спрацювання запускає блок синхронізації з мережею (блок 1). У випадку позитивного результату блок 17, яким може бути модуль приймача/передавача мікропроцесорної системи, передає номер верифікованої моделі споживача електричної енергії, отриманий з блока 16, до основної системи. Джерело інформації: 4 UA 78998 U Сінолиций АЛ. Автоматизована система контролю та обліку енергетичних показників системи живлення групи електроприводів / АЛ. Сінолиций, В.А. Кольсун, B.C. Козлов // Вісник Криворізького технічного університету, 2011. - Вип. 28. - С. 154-156. 5 10 15 20 25 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб автоматичної верифікації типу споживача електричної енергії, що містить датчик напруги, сигнал якого використовується для синхронного з напругою виміру струму, що надходить від датчика струму, та до якого застосовують спосіб частотного аналізу у вигляді виділення першої гармоніки та подальшого обчислення коефіцієнту спотворення, який відрізняється тим, що за допомогою критеріїв верифікації, перший з яких перевіряє симетричність сигналу на першій та другій половинах осі часу, накладаючи на графічний образ паралельні прямі, та порівнює точки перетину даних прямих та графічного образу форми струму, та впливає безпосередньо на прийняття рішення щодо вибору моделі, другий критерій обчислює значення коефіцієнту спотворення, третій критерій верифікації обчислює значення на основі похідної, четвертий критерій верифікації на основі похідної з низькою частотою дискретизації обраховують аналогічно попередньому тільки зі зменшенням кроку дискретизації у визначену кількість раз, п'ятий критерій на основі площі заповнення є останнім критерієм, після якого система верифікації обчислює єдиний, об'єднуючий для прийняття рішення, параметр на основі відносної похибки між кожним обрахованим та еталонним параметром кожної, внесеної до бази даних моделі, який після обрахування надходить до блока обчислення кінцевого параметра для прийняття рішення щодо вибору найдостовірнішої моделі, та поєднує попередні обраховані значення параметрів похибок для кожної моделі і обчислює збіжність моделі реального споживача електроенергії з моделями, що внесені до бази даних, та вибирає модель з мінімальнім значенням останнього параметра, яка є результатом попередньої верифікації, після вибору якої лічильник збільшує своє значення на 1 та перевіряє його на рівність з числом L, при невиконанні якої керування передається таймеру, що формує різні за тривалістю часові затримки та далі запускає блок синхронізації з мережею, в іншому разі результати верифікації порівнюють між собою на збіг та обирають найбільш повторюваний варіант, що є остаточним результатом верифікації, який надсилають до основної системи або, у випадку незбіжності усіх варіантів верифікації, значення лічильника скидають на 0, та запускають таймер, який у свою чергу запускає блок синхронізації з мережею і процес верифікації повторюється. 5 UA 78998 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6