Измерение тока в счётчиках электрической энергии постоянного тока подвижного состава и тяговых подстанций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

тем программного обеспечения методик выполнения измерений на координатно-измерительных машинах.

Библиографический список

1. Балакшин, Б.С. Основы технологии машиностроения / Б.С. Балакшин. —М.: Машиностроение, 1969. — 358 с.

2. ГОСТ 21495-76 . Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1982. — 35 с.

3. ГОСТ 23597-79 (ИСО841-74). Станки металлорежущие с числовым программным управлением. Обозначение осей

координат и направлений движений. Общие положения. — М.: Изд-во стандартов, 1993. — 14 с.

ГЛУХОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой метрологии и приборостроения.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 01.06.2010 г.

© В. И. Глухов

УДК 621.3.083.92 А. А. ХРЯКОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА В СЧЁТЧИКАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

В статье рассматриваются основные проблемы измерения постоянного тока в счетчиках электрической энергии, анализируются причины приводящие к снижению точности измерений, приводятся методы их устранения. Рассматривается метод повышения точности измерений с применением системы коррекции смещения нуля в реальном масштабе времени.

Ключевые слова: дрейф нуля, сигма-дельта АЦП, инструментальный усилитель.

В последнее время быстрыми темпами развиваются системы коммерческого и технического учёта электрической энергии на железнодорожном транспорте. Одним из ключевых направлений является учёт электрической энергии на тягу поездов постоянного тока. На данный момент существует несколько устаревших счётчиков электрической энергии с низким классом точности и несколько современных электронных устройств [1]. Устаревшие модели счётчиков не имеют интерфейсов связи, что не позволяет их использовать в автоматизированных системах учёта, а современные устройства предназначены скорее для мониторинга энергосистем, так как имеют низкий класс точности. В статье рассматриваются основные проблемы, возникающие при измерении постоянного тока в счетчиках электрической энергии.

Главным отличием счётчиков постоянного тока от счётчиков переменного тока является то, что для них основную информацию несёт постоянная составляющая. В этом случае ключевой проблемой аналогово-цифрового тракта становится дрейф нуля, так как он оказывает влияние на точность измерений. Данную проблему можно решить калибровкой нуля. Однако интервал между поверками современных приборов учёта должен составлять от 5 до 10 лет и без применения методов компенсации смещения нуля в реальном времени трудно обеспечить заданную точность в течение всего срока службы.

На рис. 1 приведена упрощённая структурная схема системы аналого-цифрового преобразования с коррекцией смещения нуля в реальном времени на основе двух АЦП 5 и 6, работающих синхронно. В состав системы входят два идентичных тракта измерения,

которые могут работать либо в режиме измерения ошибки смещения нуля, либо в основном режиме с коррекцией ошибки смещения, вычисленной в предыдущем режиме. В режиме измерения ошибки смещения нуля размыкается ключ 1 и замыкается ключ 3, обеспечивающий быстрое установление нулевого уровня на входе АЦП 5. Дальнейшая обработка производится на программном уровне. Селектором 7 данные направляются в низкочастотный фильтр 9 для выделения постоянной составляющей, затем полученное значение с обратным знаком сохраняется в ячейке памяти 13. В режиме измерения ключ 1 замыкается, а ключ 3 размыкается. Полученные на АЦП 5 данные селектором 7 направляются в сумматор 14 для вычитания ошибки смещения, хранящейся в ячейке памяти 13, масштабируются в умножителе 17 для выравнивания коэффициентов усиления каналов и поступают на селектор 19. Второй канал с АЦП 6 работает аналогично.

Применение двух синхронных каналов АПЦ, работающих с перекрытием во времени позволяет использовать в системе АЦП типа сигма-дельта, имеющие длительное время восстановления. Диаграмма, приведённая на рис. 2, поясняет выше описанный алгоритм работы системы. Период смены каналов определяется скоростью дрейфа нуля системы. Если учесть, что на смещение нуля наибольшее влияние оказывает изменение температуры, то вполне целесообразно выбирать период калибровки с учётом максимальной скорости изменения температуры окружающей среды и термостабильности аналоговых входных цепей. Выходные данные каждого канала домножаются на постоянные коэффициенты К1 и К2, которые вычисляются при первоначальной

Работа Уст. АЦП Калибровка Запись в рег. Уст. АЦП Работа Уст. АЦП Калибровка

Канал 1 Уст. АЦП Работа Уст. АЦП Калибровка Запись в рег. Уст. АЦП Р бота

Канал 2

Рис. 2. Временная диаграмма работы устройства

Цифровой

выход

первого

АЦП

Цифровой

выход

второго

АЦП

Рис. 3. Структурная схема дифференциального входа АЦП с коррекцией смещения нуля

калибровке всего устройства и обеспечивают идентичность усиления двух каналов, а также нормируют сигнал. Учитывая наличие входного программируемого усилителя на входе АЦП, уровень выходного сигнала для первого канала можно описать выражением:

Уп = ((К1а Х Хп + «1) - А) Х КЫ , (1)

или

Уп = (К1а Х Хп + «1 - А) Х КЫ

где хп — входной сигнал; К1а—коэффициент усиления входного аналогового сигнала встроенным программируемым усилителем АЦП 5; а1 — суммарная ошибка смещения нуля входных аналоговых цепей и АЦП первого канала в рабочем режиме; Р1— корректирующее значение смещения нуля, хранимое в регистре 13; Кш — коэффициент усиления выходного цифрового сигнала (умножение на К1 в умножителе 17).

Соответственно, для второго канала выходные данные будут описываться выражением:

Уп = (K2a Х Хп + a2 - P2) Х K2d

В идеальном случае, когда at = Pt ошибка смещения нуля должна устраняться полностью, однако как входные данные, так и полученное в цикле калибровки значение коррекции смещения нуля b j являются величинами, приведёнными к конечной разрядности АЦП. Поэтому остаётся ошибка, связанная с квантованием. Ошибка at просуммирована с полезным сигналом, а величина Pt вычисляется при отсутствии сигнала, т.е. при хп = 0. Таким образом, более точно формула (2) будет иметь вид:

(round((Kla х хп + аг) х 2) round(Pl) х 2) |

yn = [----------------------------2-2---Jx Kd,

где round() — операция округления; а 2к — разрядность АЦП. При xn = 0 значения at и Pt полностью равны. Однако при хпФ 0 в результате округления возможно отбрасывание половины веса младшего разряда АЦП, а в сумме с аналогичным округлением величины Pt

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

максимальная ошибка будет составлять ±1 разряд сетки АЦП. Поэтому данный метод позволяет достичь максимальной точности коррекции смещения нуля ±1 младший разряд АЦП.

Так как наибольшее влияние на смещение нуля оказывает изменение температуры, то время непрерывной работы одного канала до его переключения в режим калибровки в простейшем случае можно описать следующим неравенством:

и д

T <-

Du • v(t)

-l,

где идоп—допустимое значение смещения нуля; Аи — смещение нуля входных аналоговых цепей при изменении температуры; ^) — скорость изменения температуры окружающей среды; Я( — постоянная времени низкочастотных фильтров 9 и 10 на рис. 1.

Период переключения каналов, соответственно, составит 2Т. Наибольшая точность вычисления смещения нуля достигается при меньшей скорости изменения температуры. Однако наилучшие результаты при выборе периода переключения каналов можно получить применив датчик температуры и использовав для получения скорости изменения температуры Vпоказания датчика в реальном масштабе времени. Также следует отметить, что после подачи питания аппаратная часть системы начинает разогреваться и достигает стабильного значения температуры спустя некоторое время (обычно от нескольких минут до нескольких десятков минут). Этот фактор также влияет на выбор периода переключения каналов.

Наличие фильтров НЧ 9 и 10 позволяет выделить постоянную составляющую в сигнале в режиме калибровки нуля. Ввиду того, что период переключения каналов может составлять от единиц секунд до нескольких минут, целесообразно использовать фильтр только в конце режима калибровки перед переключением соответствующего канала в рабочий режим. Ещё одной особенностью работы фильтра является то, что он предназначен для получения только одного отсчёта, который и будет представлять собой постоянную составляющую в момент времени перед переходом канала в рабочий режим, в котором эта величина должна стать поправкой смещения нуля. Такое значение при использовании нерекурсивного фильтра порядка N вычисляется по формуле:

У = Ё кп

тельными процессорами. В результате появляется возможность применить фильтр высокого порядка без значительной загрузки процессора. Примером такого фильтра при частоте дискретизации 8000 Гц может стать фильтр НЧ 530 порядка с полосой подавления 40 Гц, что позволяет подавить помехи промышленной сети с частотой 50 Гц, и полосой пропускания 2 Гц. Уровень подавления помех с частотой выше 40 Гц составит более чем 60 дБ, что является отличным показателем, так как вход АЦП в этот момент заземлён.

На практике часто необходимо работать с источником сигналов, используя вход АЦП дифференциального типа. В этом случае аппаратная часть (ключи 1-4 и АЦП 5, 6) может выглядеть в соответствии с рис. 3. В представленной структурной схеме пары ключей 1, 2 и 3, 4 работают синхронно, а ключи 5 и 6 аналогичны ключам 3 и 4 на рис. 1.

Практическая реализация данной схемы требует минимального влияния сопротивления открытых ключей и их токов утечки. В качестве таких ключей могут быть использованы ключи серии ADG71x, которые обеспечивают крайне низкое сопротивление в открытом состоянии (не более 4 Ом) и низкие токи утечки (менее ±0.2 нА) при напряжении питания 5 В [2].

Низкое сопротивление токового шунта и высокое входное сопротивление АЦП позволяют дополнительно уменьшить влияние токов утечки электронных ключей и добиться минимальной погрешности, вносимой предлагаемым схемным решением.

Таким образом, подобный способ компенсации смещения нуля в реальном времени способен повысить точность измерения постоянного тока в системах учёта электрической энергии электроподвиж-ного состава постоянного тока и на тяговых подстанциях. Следует отметить, что основное энергоснабжение железных дорог Омской области и всего Западно-Сибирского региона производится именно постоянным током.

Библиографический список

1. Фирсанов, К. А. Использование процессоров цифровой обработки сигналов в счётчиках постоянного тока в системах учёта электрической энергии на тягу поездов / К. А. Фирсанов, А. А Хряков // Естественные науки и экология: межвуз. сб. науч. тр. — Омск: Изд-во ОмГПУ, 2008,—Вып, 13. — С. 36 — 40.

2. ADG711/ADG712/ADG713. Low Voltage 4Щ Quad SPST Switches. — Data sheet, 2009. — 12 p.

х

n=0

где у — выходное значение, кп—коэффициенты фильтра, хп—значения, поступающие на вход фильтра. Из выражения видно, что для вычисления у требуется только N последних отсчётов АЦП (хп), в каждом цикле производится только одно умножение с накоплением и не требуется линия задержки. Такой подход значительно разгружает вычислительную систему, что позволяет применять его даже с малопроизводи-

ХРЯКОВ Александр Анатольевич, аспирант кафедры теоретической электротехники, ведущий инженер отдела «Нанотехнологии».

Адрес для переписки: email: alexomskhrv@mail.ru

Статья поступила в редакцию 20.05.2010 г.

© А. А. Хряков