Способ измерения действующего значения напряжения для виртуальных приборов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Кудашов А.В. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

В последние годы проблемы метрологического обеспечения измерений электроэнергии и мощности становятся все более актуальными в связи с созданием и развитием оптового и розничного рынков электроэнергии и мощности.

Учитывая сложность проблемы, в настоящее время весьма актуально точное измерение хотя бы основных параметров качества электроэнергии: частоты, напряжения, активной, реактивной и полной мощности,

провалов напряжения и др. согласно ГОСТ 13109-97 [1].

Наличие у потребителя и производителя сертифицированных средств измерения, позволяющих более точно измерять параметры электроэнергии, позволит правильно оценить стоимость потребленной (произведенной) энергии, а так же обоснованно предъявить требования к качеству потребленной энергии, что особенно актуально в свете роста тарифов на электроэнергию. Следует так же отметить, что большая часть энергетического оборудования, в том числе и измерительного, устарело как физически, так и морально и подлежит замене. Таким образом, становится очевидным, что игнорировать качество электроэнергии, не вести тщательный учет его потребления - непростительная ошибка, ведущая к большим экономическим потерям.

В связи с выше сказанным становится очевидным необходимость разработки, новых способов, и средств измерения параметров качества электроэнергии.

Одним из перспективных направлений решения задачи является создание виртуальных приборов на базе персональных компьютеров, совершенствование которых в значительной мере зависит от эффективности используемых способов измерения и алгоритмов обработки информации.

Действующее значение напряжения (ДЗН) в электрических цепях переменного тока, как известно [10,14], определяется формулой:

U =

j >0 +Ти

— J u2(t)dt ,

т ' — (1)

где и(£) - функция изменения мгновенного напряжения в измеряемой цепи; Ти - длительность временного

интервала, на котором осуществляется усреднение (время интегрирования); ?0 - момент начала интегри-

рования, который по умолчанию обычно принимается равным нулю, т.е. ?0 = 0.

Предлагается сравнительно простой способ измерения напряжения, ориентированный на реализацию в виртуальных приборах, суть которого заключается в следующем.

Формируется интеграл:

+Ти

Щи) = | ит81П2(юГ + ф№ (2)

>о

где и' - мгновенное значение напряжения; Ти - длительность временного интервала, на котором осуществляется усреднение,

(время интегрирования); о - частота изменения напряжения; ф - фазовый сдвиг напряжения; ?0 - момент начала интегрирования, который обычно принимается равным нулю.

Кроме того, параллельно во времени осуществляется интегрирование задержанных на фиксированный интервал времени ^ сигналов напряжения на нагрузке

1о +Ти

/2(Ти) = | ) + ф]йг . (3)

>о

Моменты равенства накапливаемых интегралов являются корнями уравнения 2зтюД^эт(юТ + юД^ + 2ф) = 0 , (4)

которое получается из равенства выражений (3) и (4).

Как следует из уравнения (4) , оно имеет два типа корней:

- корни О-типа

Т

Тио = пТС ; (п = ±1>±2 ±з,-ь (5)

положение которых зависит только от значения периода Т изменения измеряемого переменного напряжения нагрузки (однофакторные корни), и

- корни М- типа

ТиМ = пТС + Д ~ФТс ; (п = 0, ± 1, ± 2, ± 3,...) , (6)

2 ж

которые зависят от неинформативных параметров и положения момента начала интегрирования, т.е. фазы (многофакторные корни).

В связи с этим важно отметить, что при Ти = То накопленные интегралы I(Ти) и /2(Ти) , как следует из выражения (4), после их деления на Ти = То и извлечения квадратного корня обеспечивают получение истинного значения измеряемого ДЗН.

Поясним алгоритм более подробно, используя модель виртуального прибора, выполненную средствами пакета визуально ориентированного программирования - 31шиИпк (Б-модель), которая показана на рис.

1.

Рисунок 1. Simulink-модель измерителя ДЗН.

Рассматриваемая программа позволяет моделировать как аппаратную часть виртуального прибора (модель АЦП показана на рис. 2), так и соответствующее алгоритмическое обеспечение по обработке данных.

Рисунок 2. Аппаратная часть виртуального прибора - АЦП - моделируется блоками, которые учитывают методические погрешности от дискретизации (Zero-Order Hold) и квантования (Quantizer).

При цифровой обработке текущие отсчеты АЦП возводятся в квадрат (u2), далее поступают на накапливающий сумматор (НС1) и через линию задержки (ЛЗ) на сумматор НС2. Блок управления (БУ) осуществляет начальную установку НС1 и НС2, а также включает счетчик (Сч), который измеряет длительность интервала измерения. Цикл измерения, определяемый блоком сравнения (БС), заканчивается в четные моменты равенства накапливаемых сумм. Результат измерения определяется путем деления накопленной суммы на длительность цикла измерения и вычисления квадратного корня (блоки БД2 и sqrt). Дополнительно рассматриваемый способ позволяет, разделив единицу на значение длительности цикла измерения оценивать частоту напряжения в измеряемой цепи.

Как показали исследования, проведенные на базе представленной модели устройства измерения ДЗН, реализация предлагаемого способа простыми средствами позволяет строить измерители ДЗН, которые позволяют измерять с погрешностями порядка 0.01 % и частоту сетевого напряжения с погрешностями порядка 0.01 Гц.

Следует отметить, что алгоритм нахождения ДЗН легко реализуется с помощью языков программирования высокого уровня, например, Delphi , или Builder C++. В качестве примера был исследован модуль на языке Object Pascal., который может быть использован при написании программы обработки отсчетов АЦП. Результаты подтвердили проведенные теоретические исследования.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.— М: Госстандарт, 1998.

2. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. - М.: Энергия, 1970

3. Измерения в промышленности. Справ, изд.// Под ред. П.Профоса. - М.: Металлургия, 1980,

648 с.

4. Шахов Э.К., Телегин С.М., Шляндин В.М. Метод цифрового измерения действующего значения

напряжения переменного напряжения. - Изв. Вузов СССР - «Приборостроение», т. 15, № 5, 1972

5. Новенко Б.А., Каплан Л.И. Цифровые приборы для измерения энергетических величин. - Сб. нач.

тр. Ивановского энергетического института, вып. 23, 1972