Устройство для измерения и контроля параметров электрооборудования
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для измерения и контроля параметров электрооборудования, в частности в качестве комплексного устройства защиты и автоматики электрических систем. Целью изобретения является поповышение быстродействия и увеличения точности. Цель достигается введением в. устройство блока 3 обработки входных сигналов. Использование предложенной схемы 14 позволяет повысить быстродействие устройства до 20 мс, а подключение неинвертирующих входов сумматоров 12 и 13 к входньм преобразователям 1 и 2 позволяет измерять параметры электрооборудования, у которого известно отношение его актив-- ного сопротивления к реактивному, практически без погрешностей. 3 з.п. ф-лы, 6 ил. с: S сл оо СО J о 4i. Фиг.1
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (51) 4 Н 02 Н 3/38
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К A BTOPCHOIVtV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3815009/24-07 (22) 15. 11. 84 (46) 07. 10. 87. Бюл. ¹ 37 (71) Ленинградский политехнический институт им. N.È.Êàëèíèíà .(72) В.К. Ванин и А.В. Мокеев (53) 62 1.316.925(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
¹- 1003228, кл. H 02 H 3/40, 1983.
Wisznewski А.,Szafran. Динамические характеристики датчиков электри-: ческих величин. Вопросы теории и тех- ники релейной защиты. M. Энергия, 1980, с. 73-77. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ (57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для измерения и контроля пара- метров электрооборудования, в частности в качестве комплексного устройства защиты и автоматики электрических систем. Целью изобретения является по> повышение быстродействия и увеличения точности. Цель достигается введением в устройство блока 3 обработки входных сигналов. Использование пред- ложенной схемы 14 позволяет повысить быстродействие устройства до 20 мс а подключение неинвертирующих входов сумматоров 12 и 13 к входным преобразователям 1 и 2 позволяет измерять параметры электрооборудования, у которого известно отношение его актив- д
Ci ного сопротивления к реактивному, практически без погрешностей. 3 з.п, ф-лы, 6 ил, 1 134349
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для измерения и контроля параметров электрооборудования, в частности, 5 в качестве комплексного устройства защиты и автоматики электрических систем.
Целью изобретения является повышение быстродействия и увеличение точности.
На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства", на фиг. 2 — функциональные схемы блока обработки входных сигналов и измерителя параметров, на фиг. 3 — функциональные схемы блока междуфазных составляющих и блока симметричных составляющих; на фиг. 4 — функциональная схема контроля сопротивления; 20 на фиг. 5 — характеристика срабатывания функциональной схемы контроля сопротивления; на фиг. 6 — погрешности в определении комплексной амплитуды тока. 25
Устройство содержит входные преобразователи ток — напряжение 1 и напряжение — напряжение 2, блоки 3 обработки входных сигналов, блоки
4 междуфазных составляющих, блоки 5 симметричных составляющих, блок 6 определения параметров, блок 7 сравнения, логический блок 8, генератор
9 синусоидапьных сигналов и блок 10 управления. Связь 2 выходов блока 10 З5 управления с входами блоков обработки входных сигналов 3 показана в виде управляющей шины.
Каждый блок 3 обработки входных сигналов содержит (фиг. 2) два пере- 40 множителя 11, сумматоры 12 и 13 и две схемы 14 интегрирования.
Схема интегрирования 14 (фиг. 2) состоит из входного сопротивления R1, подключенного к первым измерительным 45 входам входных аналоговых ключей П1 всех п каналов интегрирования, второй и третий измерительные входы входного аналогового ключа каждого канала интегрирования подключены соответственно к шунтирующему резистору Р? и входу инвертирующего усилителя 15, в обратную связь которого подключен конденсатор С, а выход инвертирующего усилителя 15 подключен к первому измерительному входу выходного аналогового ключа П2, второй и третий измерительные входы которого подключены соответственно к шунтирующе4
2 му резистору R2 и к общему для всех каналов узлу, являющемуся выходом схемы 14 интегрирования, а управляющие входы входного и выходного аналоговых ключей IIi и П2 п-ro канала интегрирования подключены соответственно к (2n-1) и 2п входам блока 10 управления, С помощью блока 10 управления осуществляются режимы интегрирования, рабочий, и создания нулевых начальных условий в каналах схем
14 интегрирования. Основу блока 10 управления может составлять генератор тактовых сигналов или использование вместо последнего напряжений с выхода генератора 9 синусоидальных сигналов с последующим преобразованием их в блоке 10 управления в прямоугольную форму. !
Блок 6 определения параметров содержит унифицированные измерители параметров, число которых зависит от числа измеряемых параметров. Измеритель 16 параметров (фиг. 2) содержит перемножители 17-22, перемножительделитель 23, сумматоры 24-?8, звено
29 для извлечения квадратного корня, делители 30 и 31, причем о6а входа перемножителей 17 и 18 подключены соответственно к первому и второму входу измерителя 16 параметров, а их выходы связаны с входами сумматора 24, подключенного к входу звена 29 для извлечения квадратного корня, выход которого является выходом измерителя 16 параметров; перемножители 19, 20, 31 и 22 подключены соответственно к второму и третьему, первому и четвертому входам измерителя
16 параметра, а выходы перемножителей
19-32 подключены соответственно к сумматорам 25 и 26, выходы которых являются выходами измерителя 16 параметров, а также подключены к первым входам соответствующих делителей 30 и 31, вторые входы которых связаны с выходом сумматора 24, а выходы являются выходами измерителя 16 параметров, первые два входа перемножителяделителя 23 подключены к третьему, а первый и второй входы сумматоров 27 и 28-к четвертому входу измерителя
16 параметров, кроме того, вход перемножителя-делителя 23 подключен к выходу сумматора 27, являющемуся выходом измерителя 16 параметров, а первый вход сумматора 27 связан с выходом перемножителя-делителя 23. где К (К„) 4 Кз
A(e»Т, ), В(М, Т .), А(С,Т ) cos(R44t- 9 „)»
Кт(К1 ™а+Os » +То (К 8
f3>+La 2) ьт (1- 4; з 13434
Блок 4 междуфазных составляющих и блок 5 симметричных составляющих содержат соответственно сумматоры 3237 и 38-43.
Схема 44 контроля сопротивления . блока.-7 сравнения содержит п каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных сумматоров 45, нуль-индикатора 46, подключенного вы- 10 ходом к соответствующему входу логического элемента И 47.
Входные преобразователи 1 и 2, блоки 3 обработки входных сигналов, генератор 9 синусоидальных сигналов, блок 10 управления, блоки 4междуфазных составляющих, блоки 5 симметричных составляющих, блок 6 определения па.раметров, блок 7 сравнения, логический блок 8 могут быть выполнены по любому известному принципу, в том числе с помощью аналоговых и цифровых интегральных схем (операционных усилителей, аналоговых перемножителей, аналоговых коммутаторов и логи- 25 ческих микросхем) .
Устройство работает следующим образом.
° С выходов входных преобразователей
1 ток — напряжение и напряжение— напряжение 2, подключаемых к измерительным трансформаторам, сигналы поступают на первые входы перемножителей 11 и на инвертирующие входы сумматоров 12 и 13 блока 3 обработки входных сигналов. Кроме того, на вто-. рые входы перемножителей 11 поступают синусоидальные напряжения промышленной частоты с выходов генератора
9 синусоидальных сигналов, а на вторые входы сумматоров 12 и 13 поступают напряжения с выходов перемножителей 11. С помощью схем 14 интегрирования .и схемы 10 управления производятся интегрирование напряжений на
45 выходах сумматоров 12 и 13 за период промьппленной частоты Т = 2 Напряжения на первом и втором выходах блока 3 обработки входных сигналов при частоте генератора 9 сину соидальных сигналов, равной промьппленной, и при его вьходных напряжениях, пропорциональных синусу и косинусу указанной частоты т, О U =K,(К, $ i(t)cos,tdt-К, i(t)dt) 94 K,(, А(ыотФ) -К,А(О,Т,)3; т. т. ,=К,(К, j i(t)sin
О О К» (К В (а» Та ) K A (Q» То )) результирующий коэффициент передачи измерительного трансформатора тока напряжения и входного преобразователя ток-напряжение, напряжение-напряжение, коэффициент передачи сумматоров 12 и 13 по инвертирующим входам; коэффициенты передачи сумматоров 12 и 13 по неинвертирующим входам; — соответственно активная и реактивная составляющие текущей спектральной плотности входного сигнала на промышленной частоте и активная составляющая на нулевой частоте. Если первичный ток (напряжение) содержит кроме полезного сигнала промышленной частоты его гармоники и свободную апериодическую составляющую „pf 1(t) =I cos((d t У. ) -?o е + » I 1 где ф» Ч„,,, — соответственно амплитуды и начальные фазы полезного сигнала и его к-й гармоники, I,,  — начальное значение и коэффициент затухания апериодической составляющей, то напряжения на выходах блока 3 обработки входных сигналов U =K jK — »I sin(. + I (- 1 -) Т К К () И < + ò 1343494 6 ао 1 + в с К, f3 — — — К g2+uD 2 э При К = — -э К т. KH ы, У + . .2 3 обработки выходные напряжения блоков входных сигналов пропср(3) амплитуд соответствующих первичны= .: фазных токов напряжений. В действительности и известно при= ближенно, но предел его измерения не следует ожидать большим. На фиг.б приведены погрешности в определении комплексной амплитуды тока в экспоненциальной форме при I, = I cos F, о 0 (кривые 1 и 3) и -- 45 (кривые 2 и 4) . Причем кривые 1 и 2 соответствуют случаю, когда K = Кэ = 0, а кривые 3 и 4 — когда К, Кя рассчитаны для Я = 50 с Для измерения ортогснальных составляющих комплексных амплитуд высших гармоник токов и напряжений необходимо использовать генератор 9 синусоидальных сигналов с частотой, равной частоте исследуемой гармоники. Напряжения с выходом первых трех блоков 3 обработки входных сигналов„ подключенных к выходным преобразователям 1 ток — напряжение, pi с выходов трех других блоков 3 обработки входных сигналов, подключенных входами к выходам входных преобразователей 2 напряжение — напряжение, поступают на входы соответствующих блоков 4 междуфазных составляющих и блоков 5 симметричных составляющих (фиг. 1 и 3), Напряжения на выходах сумматоров 32-37 блока 4 междуфазных составляющих пропорционально соответственно активным и реактивным составляющим комплексных амплитуд первичных междуфазных токов напряжений З 8 lз + ---I ) 2 " " 2 (4) „3 Д вЂ” -т — ---I ) . 2 Р 2 3 8 ГЗ л.. т ) ? а 2 а (6) яв я 8 зз — яв вт 1» яв к 8 "iа ma юа I Âc в С гла Im„ Ima> вс s c 35 имя щ> 1Р сл с А =1 †mp mp nip ся с а Ima Напряжения на выходах сумматоров блока 5 симметричных составляющих пропорциональны активным и реактивным составляющим первичных токов напряжений нулевой, обратной и прямой последовательностей. циональны соответственно активным и реактивным составляющим комплексных А2. 1 Я 1 в 3 " 2 2 Яъ 1 h 1 в 1 и U,, з I =- — — (I — ---I — -- — т - Р 3 (; Р ? Р 2. Р ь В в2 3 (2 2 а, 1 Я 20 l3- -мР 3 (— Р 2 Р 2 ь1Р 25 Коэффициенты передач сумматоров 38-43 выбираются согласно выражениям (1) — (6) . Напряжения с выходов блоков 3 обработки входных сигналов блоков 4 междуфазных составляющих и блоков 5 симметричных составляющих поступают на входы соответствующих измерителей 16 параметров блока 6 определения пареметров. Выходные напряжение измерителей 16 параметров пропорциональны амплитудам первичных фазных, междуфазных и симметричных составляющих токов и напряжений, активным и реактивным сопротивлениям и т.д, 4D Перечисленные параметры определяются в блоке б определения параметров с помощью реализации аналоговыми перемножителями сигналов и операционными усилителями действий умноже45 ния, деления,, извлечения квадратного корня, суммирования и т.д. над вход— ными сигналами. Возможны другие реализации. Для определения напряжений, пропорциональных активному P и реактивному Х сопротивлениям, используются перемножители 17-22, сумматоры 2426 и делители 30 и 31 (фиг. ?). На входы перемножителей 17 и 18, работающих в режиме квадратора, поступают соответственно напряжения, пропорциональные первичным активному lma и реактивному Ip токам, а вы7 1343494 ходы перемножителей 17 и 18 подключены к соответствующим входам сумматора 24, напряжение на выходе которого пропорционально квадрату первичного тока 15 и -I2 I2 I2 Я.4- и mp vn p На выходы перемножителей 19 и 20 поступают напряжения, пропорциональные первичным активному напряжению Ц„ и реактивному току I » реактивному напряжению U p и активному току I . Выходы перемножителей 19 и 20 связаны соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами сумматора 25, напряжение на выходе которого пропорционально реактивной мощности где Ч = ю — — угол между током и напряжением. С помощью перемножителей 21 и 22, на входы которых поступают напряжения, пропорциональные соответственно первичному активному току I и напряжению U a, реактивному току Т р и напряжению U p и сумматора 26, подключенного входами к выходам перемножителей 21 и 22, получаем напряжение, пропорциональное реактивной мощности (3 = Р— U Т „+Б Т. -Б Т соз 1 . Выходы сумматоров 25 и ?6 связаны с первыми входами делителей 30 и 31, вторые входы которых подключены к выходу сумматора 24. Напряжения на выходах делителей 30 и 31 пропорциональны соответственно активному R и активному Х сопротивлениям Р U вХ = — — = Ез1пЧ, U =R= — -= зоЙЪ . О =Zcos 9, В результате промежуточных операций определения активного R и реактивного Х сопротивлений на выходах сумматоров 25 и ?6 имеем соответственно активную Р и реактивную Q мощности, а на выходе сумматора 24 квадрат амплитуды тока I Для определения напряжения, пропорционального амплитуде первичного тока I, используется звено извлечения квадратного корня 29, подключенное входом к выходу сумматора 24. Для определения амплитуды первичного напряжения используются перемножитель-делитель 23 и сумматоры 27 и 28, причем на входы для умножения перемножителя-делителя ?3 поступает напряжение, пропорциональное первичному активному напряжению, а вход для деления связан с выходом сумматора 28, на первые и вторые входы последнего поступают соответственно напряжения, пропорциональные реактивному напряжению и напряжению с выхода сумматора 27, первый вход которого связан с- выходом перемножителя-делителя 23, а второй подключен к первому входу сумматора 28. Напряжение на выходе сумматора 27 20 = — -- — +U =U А х = П +и ЪМ ЪъЪ Напряжение с выходов блока 6 определения параметров поступают на соответствующие входы блока 7 сравне25 ния, который содержит в общем случае схемы контроля тока (фазного, междуфазного, обратной, нулевой, прямой последовательности), напряжения, сопротивления, мощности и т.д., а также З0 схему определения места повреждения.. Наличие в схеме полной информации о сопротивлении обеспечивает воэможность получения сложных характеристик срабатывания простым способом без использования частотно-зависимых цепей как у традиционных реле сопротивления. В устройстве предлагается использовать схему 44 контроля сопротивле40 ния с характеристикой срабатывания в виде многоугольника.При этом она содержит m каналов по числу сторон характеристики срабатывания, каждый из которых состоит из последовательно 45 включенных сумматоров 45 (фиг. 4), на первые два входа поступают напряжения, пропорциональные соответственно активному R и реактивному Х сопротивлениям, третий вход которого подключен к источнику постоянного напряжения, и нулЬ-индикатор 46, подключенный входом к соответствующему входу логического элемента И 47. Уравнение каждой стороны характе» 55 ристики срабатывания в координатной плоскости Х, R имеет вид K R — X„= О, где К вЂ” угловой коэффициент наклона -й прямой, равный тан1343494 10 (7) а„(Х вЂ” Rtg g, — X,) ) 0; а (X — Rtg Y, -Х) ) 0; aç,(Х вЂ” Rtg з Х,) ) 0; (8) (9) (10) а4,(Х вЂ” Rtg Му — Х ) 0; 20 а (Х вЂ” Rtg Я,„- Х ) ) О, где а = 1, в результате чего срабатывают нульиндикаторы 46 всех каналов и логический элемент И 47. 25 На фиг. 4 и 5 приведены соответственно функциональная схема 44 контроля сопротивления и ее характеристика срабатывания в виде четырехугольника. При этом коэффициенты переда- З0 чи трех входов сумматора 44 равны соответствующим постоянным коэффициентам неравенств (7)-(10). С помощью измеренных значений составляющих комплексного сопротивления 35 можно также реализовать схемы контроля сопротивления с характеристикой срабатывания в виде окружности, эллипса и т.д. Схемы контроля тока напряжения ре- 40 ализуются с помощью одного компаратора, а схемы контроля мощности и ее составляющих представляют собой частный случай схемы 44 контроля сопротивления. 45 Выходы блока 7 сравнения подключены к соответствующим входам логического блока 8, с.помощью которого определяется последовательность работы и времени срабатывания как по отдель- 50 ным параметрам,так и устройства в целом, а также подаются соответствующие управляющие выходные воздействия (на отключение, на сигнал и т.д.). Таким образом, повышение быстродействия и увеличение точности предлагаемого устройства по сравнению с известным достигается в основном за счет использования предлагаемого генсу ее наклона tg Y к оси абсцисс; Х вЂ” координата точки пересечения i-й прямой оси ОХ. Попадание комплексного сопротивления в область срабатывания соответствует выполнению следующих неравенств: 10 блока 3 обработки входных сигналов (фиг. 2). Так использование предложенной схемы 14 интегрирования позволяет повысить быстродействие устройства до 20 мс, а использование подключения неинвертирующих входов сумматоров 12 и 13 к входным преобразователям 1 и 2 — измерять его параметры электрооборудования, у которого известно отношение его активного сопротивления к реактивному, практически без погрешностей. Исполвзование предложенных блоков междуфазных составляющих и блоков симметричных составляющих позволяет значительно упростить устройство (отпадает необходимость в использовании дополнительных блоков обработки входных сигналов), а также позволяет избежать дополнительной задержки при измерении параметров электрооборудования вследствие отсутствия в указанных блоках частотно-зависимых цепей. По этой же причине схемы контроля параметров блока сравнения также не вносят задержку при контроле параметров электрооборудования. Формула изобретения 1. Устройство для измерения и контроля параметров электрооборудования, содержащее три выходных преобразователя ток-напряжение и три входных преобразователя напряжение-напряжение, каждый из которых подключен своим выходом к входу соответствующего блока обработки входных сигналов, а два выхода каждого упомянутого блока связаны с соответствующими входами блока определения параметров, подключенного выходами к соответствующим входам блока сравнения, выходы которого связаны с входами логического блока, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и .увеличения точности, введены генератор синусоидальных сигналов, блок управления, два блока междуфазных составляющих и два блока симметричных составляющих, при этом первый и второй выходы генератора синусоидальных сигналов и 2п выходов блока управления подключены к входам каждого блока обработки входных сигналов, первый и второй блоки междуфазных составляющих, а также первый и второй блоки симметричных составляющих, соединенных каждый своими шестью входами соответственна с вь1— ходами трех блоков обработки входных сигналов, а шесть выходов каждого из блоков симметричных составляющих и шесть выходов каждого из блоков междуфазных составляющих подключены к соответствующим входам блока определения параметров. 10 2. Устройство по п. 1, а т л и ч а ющ е е с я тем, чта блок обработки входных сигналов содержит два перемнажителя, цва сумматора и цве схемы интегрирования, при этом первые входы перемножителей соединены между собой и подключены к выходу соответствующего вхацнога преобразователя ток-напряжение, вторые входы первого и второго перемножителей падклю— чены соответственна к первому и второму вьжодам генератора синусаидальных сигналов, первые входы перемножителей подключены к неинвертирующим входам цвух сумматоров, инвертирующие входы каждого из которых соединены с выходом соответствующего еремножителя, выходы первого и второго сумматоров подключены к первы11 входам соответственно первой и второй схемы интегрирования, выходы которых являются выходами блока обработки входных сигналов, а каждая схема интегрирования содержит входной (2 резистор, первь: ", вывод которого является входом схемы интегрирования, второй вывод каждого входного рези тора подключен к входу соответствующего n-ro канала интегрирования, соединенных параллельно, при этом каждый из и-каналов интегрирования состоит из последовательно включенных входного аналогового ключа, инвертирующега усилителя, выходного аналогового ключа, при этом в обратную связь инвертирующега усилителя включен канценсатор, а также шунтирующий резистор через соответствующие измерительные входы входного из выходного аналоговых ключей, управляющие входы которых подключены соответственна к (2n — 1) и 2п выходам схемы управления. 3. Устройство па и. 1, а т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок междуфазных составляющих содержит шесть сумматоров, выходы которых являются выходами блока междуфаэных составляющих, а инвертирующие входы — соответствующими входами указанного блока. Устройство па п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок симметричных составляющих содержит шесть сумматоров, выходы которых являются выходами блока симметричных составляющих, à инвеатирующие входы — соответствующими входами указанного блока. 1343494 1343494 30 _#_ фиг, б Корректор А. Тяско Заказ 4832/53 Тираж 617 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4 /5 Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель К.Шилан Редактор Л.Гратилло Техред Л.Сердюкова /8 /Е 14 N 6 ф 2 ю з я жига свю и /8 /б Ж /2 8 б г
