CC BY
13
УДК 621.317:524.19
СТАТИСТИЧЕСКИМ АНАЛИЗАТОР ОТКЛОНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ
© 2003 г. В. Ф. Ермаков, Ф.А. Кушнарев, Ю.М. Решетников
Предлагается микроэлектронное устройство, предназначенное для непрерывного контроля текущих значений и получения гистограммы отклонений напряжения с целью контроля по ГОСТ 13109-97 качества электроэнергии в электрических сетях промышленных предприятий и энергосистем.
Известные статистические анализаторы [1, 2] предназначены только для проведения статистического анализа отклонений напряжения, с их помощью не может осуществляться контроль текущих значений отклонений. Неудобство в эксплуатации анализаторов обусловлено необходимостью использования двух режимов работы («Измерение» и «Опрос») с ручным неавтоматическим управлением, которые при более удачной организации структуры устройства могли бы быть исключены, а также отсутствием четкого соответствия между номером разряда измеряемой гистограммы и значением отклонений напряжения.
Предлагаемое нами устройство лишено указанных недостатков, в нем предусмотрено расширение функциональных возможностей (благодаря обеспечению дополнительной возможности непрерывного контроля текущих значений отклонений напряжения), повышение надежности работы (исключаются возможные искажения накопленной статистической информации в режиме опроса блока памяти) и удобства в эксплуатации анализатора (за счет исключения различных режимов работы и соответствующего переключателя, а также введения «жесткой» нумерации разрядов измеряемой гистограммы отклонений напряжения относительно номинального значения напряжения сети). Достигается это путем использования новой структуры анализатора, позволяющей, в частности, организовать реализацию «масочного» принципа совмещения двух режимов работы анализатора «Опрос» - «Измерение».
Структурная схема анализатора [3] представлена на рис. 1, а на рис. 2 изображена гистограмма отклонений напряжения сети.
\ I
\ I
J I
"7"t
"9"б"ог-
АЛ.....
С
№
14
11
17
20
18
15
19
26
10
16
22
Г
21
п
г-1
13
1
27j_
Рис. 1. Схема анализатора
7
6
8
5
n
Г~1 I I I I I I I I I I I I I Г"I-
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 <Ю, %
Рис. 2. Гистограмма отклонений напряжения сети
Анализатор содержит преобразователь 1 переменного напряжения в постоянное (ППНП) [4], нуль-орган (НО) 2, формирователь модуля (ФМ) 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, счетчики 5, 13, 18 и 19, многопозиционный переключатель 6, шифратор 7, коммутатор 8, двухпозиционный переключатель 9, блок памяти (БП) 10, ключ 11, элементы И-НЕ 12, 16 и 24, токозадающий резистор 14, блоки индикации (БИ) 15 и 21, генератор 17 импульсов выборки (ГИВ), генератор 20 тактовых импульсов (ГТИ), триггеры 22 и 23, одновибратор 25, дешифратор 26.
Второй БИ 15 представляет собой обычный 1- или 2-декадный цифровой индикатор, содержащий также дополнительно один знаковый разряд для отображения символов «+» или «-».
Преобразователь 1 осуществляет преобразование переменного напряжения сети в постоянное напряжение, пропорциональное отклонениям §Ц напряжения сети от его номинального значения ин (где 8 и - показатель качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97), в соответствии с формулой
Ц = К(и- ин) = К8и,
где K - коэффициент пропорциональности.
С помощью нуль-органа пространство изменения отклонений напряжения разделяется на две области: область положительных отклонений 8U > 0 (при этом напряжение на прямом выходе НО равно «1», а на инверсном - «0») и область отрицательных отклонений 8U < 0 (при этом напряжение на прямом выходе НО равно «0», а на инверсном «- 1»).
Анализатор выполнен многоканальным. Ширина младшего значащего разряда (МЗР) АЦП равняется ширине разряда искомой гистограммы отклонений напряжения. В анализаторе используется АЦП следящего типа, очередное изменение кода на выходе которого происходит после изменения входного напряжения на ширину МЗР.
В качестве примера рассмотрим 16-канальный анализатор, емкость каждого канала которого составляет 104; в этом случае группа старших разрядов адресного входа БП содержит 4 двоичных разряда, а
группа младших разрядов - 2 разряда. При необходимости указанные параметры анализатора могут быть выбраны другими (большими). При эксплуатации удобно использовать АЦП, ширина МЗР которого равняется 1 %.
При положительных отклонениях 8и напряжение U1 -положительно, оно без изменений пропускается через ФМ на вход АЦП, напряжение прямого выхода НО равно «1», измеряемые статистики накапливаются в ячейках БП с адресами 1000000 - 1111111.
При отрицательных отклонениях 8и напряжение и1 инвертируется формирователем модуля и преобразуется таким образом в положительное напряжение, поступающее на вход АЦП. Напряжение прямого выхода НО при этом равно «0», измеряемые статистики накапливаются в ячейках БП с адресами 0000000 -0111111.
Коду числа на выходе АЦП соответствует номер разряда измеряемой гистограммы (с учетом значения напряжения прямого выхода НО): 1) коду 0000 - разряд гистограммы номер «+0», коду 0001 - разряд номер «+1» и т.д.; 2) коду 1000 - разряд гистограммы номер «-0», коду 1001 - разряд номер «-1» и т.д.
Код АЦП вместе со старшим разрядом с прямого выхода НО ежесекундно вписывается в первый счетчик 5 и с выхода счетчика непрерывно приложен ко входу второго индикатора 15. На БИ 15 непрерывно отображается в процентах значение отклонений напряжения 8и в сети, например: «+ 5 %» или «- 0 %» и т.д. При этом знак индицируемых на БИ 15 отклонений 8и задается напряжением с прямого выхода НО (единичному напряжению соответствует знак «+», нулевому - «-»), а их модуль - кодом с выхода АЦП.
Генератор 20 работает с высокой нестабильной частотой 0,1 ... 2 МГц. Низкая частота генератора 17 (наиболее удобна частота 1 Гц) должна быть стабильной, в частности, генератор 17 может быть выполнен кварцевым. Генератором 17 вырабатываются узкие (длительностью в 1 мкс) импульсы выборки случайного процесса изменения отклонений напряжения.
Анализатор работает следующим образом.
Перед началом измерений нажатием на ключ 11 обнуляется БП 10. Осуществляется это следующим образом. Единичный потенциал через резистор 14 прикладывается ко входу установки нуля второго счетчика 13, который выполнен двоично-десятичным. Появляющийся при этом на информационном выходе счетчика 13 нулевой код последовательно вписывается во все ячейки БП. Быстрая смена кода адресов ячеек БП обеспечивается благодаря тому, что после нажатия на ключ к первому входу элемента И-НЕ 12 прикладывается единичный потенциал. В результате элемент И-НЕ 12 начинает пропускать на тактовый вход счетчика 5 импульсы с выхода старшего разряда счетчика 19. Благодаря высокой частоте ГТИ 20 обнуление БП осуществляется за несколько миллисекунд.
После отпускания ключа 11 начинается процесс накопления информации в БП 10.
Во время очередной выборки импульсом с инверсного выхода генератора 17 код из АЦП и с прямого выхода НО (соответствующий уровню анализа отклонений напряжения в момент выборки, например, 1011) переписывается в счетчик 5, а также вписывается единица в первый триггер 22, а импульсом с прямого выхода генератора 17 обнуляются счетчики 18 и 19.
С этого момента анализатор автоматически переходит в режим «Опрос», который задается нулевым напряжением с выхода старшего разряда третьего счетчика 18, приложенным к управляющему входу коммутатора 8. При этом коммутатор пропускает на свой выход информацию, поступающую на его первый информационный вход с выхода шифратора 7 и от двухпозиционного переключателя 9. Знак номера «+» или «-» опрашиваемого канала анализатора задается переключателем 9 (знаку «+» соответствует правое положение переключателя и значение старшего разряда на первом информационном входе коммутатора «1», а знаку «-», соответственно, левое положение переключателя и значение старшего разряда «0»), а код модуля номера («0»... «7») опрашиваемого канала формируется с помощью многопозиционного переключателя 6 и шифратора 7 (соответственно, «000»... «111»).
Рассмотрим в качестве примера ситуацию, при которой переключателями 6 и 9 был задан номер канала анализатора «+5». Соответствующий этому номеру код 1101 прикладывается к адресному входу БП 10. В результате на выходе БП появляется значение младшего десятичного разряда (в дальнейшем декады) информации, хранящейся в ячейках БП с адресами 110100 - 110111; в частности, в первом такте генератора 20 на выходе БП появляется значение младшей декады, хранящейся в ячейке с адресом 110100. Поскольку в момент выборки ко входу дешифратора 26 с выхода счетчика 18 приложен нулевой код, то подготовленным к срабатыванию оказывается нулевой выход дешифратора, который остается свободным.
В следующем такте генератора 20 выходной код счетчика 18 становится равным 001 (в момент прохождения заднего фронта выходного импульса генератора), что подготавливает к срабатыванию первый выход дешифратора 26. По переднему фронту очередного следующего импульса на выходе ГТИ 20 запускается одновибратор 25, который своим выходным отрицательным импульсом стробирует дешифратор. На втором выходе дешифратора при стробирова-нии появляется короткий отрицательный импульс, вписывающий значение младшей декады информации с выхода БП в БИ 21.
В следующем такте генератора 20 выходной код счетчика 18 становится равным 010, появляющийся на втором выходе дешифратора управляющий импульс переводит в нулевое состояние триггер 22, который перепадом напряжения на инверсном выходе вписывает единицу в триггер 23. Выходное единичное напряжение с прямого выхода триггера 23 прикладывается к первому входу третьего элемента И-НЕ 24.
В двух следующих тактах генератора 20 выходные коды счетчика 18 последовательно становятся равными 011 и 100, а появляющиеся на шестом и седьмом выходах дешифратора (которые оставлены свободными) управляющие импульсы не приводят к каким-либо другим изменениям в схеме анализатора.
С момента появления на выходе счетчика 18 кода 100 анализатор автоматически переходит в режим «Измерение», который задается единичным напряжением с выхода старшего разряда счетчика, приложенным к управляющему входу коммутатора 8. При этом коммутатор пропускает на свой выход информацию, поступающую на его второй информационный вход с выхода первого счетчика 5. В частности, в момент выборки (см. выше) в счетчик был записан код 1011, который и поступает через коммутатор на адресный вход БП. Следовательно, при этой выборке осуществляется обработка информации, накопленной в результате предыдущего анализа и хранящейся в ячейках БП с адресами 101100 - 101111.
В очередном такте генератора 20 код счетчика 18 становится равным 101, появляющийся на третьем выходе дешифратора импульс вписывает значение младшей декады информации, хранящейся в ячейке с адресом 101100, с выхода БП в счетчик 13.
В следующем такте генератора 20 появляющийся на четвертом выходе дешифратора отрицательный импульс, проходя последовательно через элементы 27 и 24, увеличивает на единицу значение младшей декады информации. Если при этом значение декады становится равным 10, то на выходе переноса счетчика 13 появляется отрицательный импульс напряжения, который, проходя через элемент И-НЕ 16, вновь переводит триггер 22 в единичное состояние.
Появляющийся в следующем такте генератора 20 на пятом выходе дешифратора импульс: 1) возвращает в БП увеличенное на единицу значение декады, а также 2) возвращает в исходное нулевое состояние триггер 23.
В следующем такте генератора 20 код счетчика 18 снова становится нулевым. По заднему фронту напряжения с выхода старшего разряда счетчика срабатывает счетчик 19, содержимое которого становится равным 001. При этом на выходе БП появляется значение второй декады накопленной ранее информации.
Следующие 8 тактов генератора 20 по описанному выше алгоритму осуществляется обработка вторых
декад информации, хранящихся в ячейках БП с адресами 110101 (в режиме «Опрос») и 101101 (в режиме «Измерение»). При этом значение декады из ячейки 110101 вписывается в БИ 21, а значение декады из ячейки 101101 вписывается в счетчик 13 и т.д. до полного обновления значений всех четырех декад как в БИ 21, так и в БП 10.
После обновления всего 4-декадного числа до следующей выборки описанный выше циклический процесс непрерывно продолжается, однако при этом информация считывается из БП и затем возвращается назад без изменений.
После накопления достаточно большого объема информации осуществляется опрос содержимого БП. Для этого переключатель 9 переводится в правое положение «+», а переключатель 6 поочередно переводится в положения «0», «1», «2» и т.д. На выходе шифратора 7 появляются соответствующие коды «000», «001», «010» и т.д. Эти коды с учетом значения старшего разряда, формируемого переключателем 9 (положению переключателя «+» соответствует значение старшего разряда кода «1») преобразуются соответственно в коды «1000», «1001», «1010» и т. д., которые через коммутатор 8 в автоматическом режиме «Опрос» прикладываются к группе старших разрядов адресного входа БП - на БИ 21 появляются статистики, накопленные в каналах блока памяти анализатора с номерами «+0», «+1», «+2» и т.д., которые используются для построения соответствующих разрядов
правой части гистограммы отклонений напряжения (см. рис. 2) для 8П > 0. Аналогично после перевода переключателя 9 в левое положение «-» с БИ 21 счи-тываются статистики, накопленные в каналах блока памяти анализатора с номерами «-0», «-1», «-2» и т.д., которые используются для построения соответствующих разрядов левой части гистограммы отклонений напряжения для 8П < 0. Гистограмма используется для оценки качества электроэнергии сети по ГОСТ 13109-97.
Литература
1. А. с. 1262524 СССР, МПК 006Е 17/18. Статистический анализатор отклонений напряжения сети / В.Ф. Ермаков. 1986. Бюл. № 37.
2. Патент 2041497 РФ, МПК 006Е 17/18. Статистический анализатор отклонений напряжения / В.Ф. Ермаков. 1995. Бюл. № 22.
3. Патент 2130199 РФ, МПК 006Е 17/18. Устройство для текущего контроля и статистического анализа отклонений напряжения / В.Ф. Ермаков, Ф.А. Кушнарев, Ю.М. Решетников. 1999. Бюл. № 13.
4. Ермаков В.Ф., Решетников Ю.М., Семыкин К.В., Федоров В.С. Входные преобразователи переменного напряжения статистических анализаторов качества электроэнергии // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2002. № 2. С. 70-71.
18 марта 2003 г.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
