Устройство для моделирования изменения мощности нагрузки и температуры токоведущих элементов систем электроснабжения

 

Устройство относится к вычислительной технике и может использоваться в электроэнергетике для автоматического выбора токоведущих элементов систем электроснабжения по нагреву. Решаемая изобретением техническая задача - повышение точности устройства. Устройство содержит блок моделирования тока нагрузки, квадратор, два цифроаналоговых преобразователя, ограничительный резистор, два усилителя постоянного тока, дифференцирующие цепочки, образованные параллельно включенными резисторами и конденсаторами, две группы коммутаторов, группу масштабирующих резисторов, резистор обратной связи, компаратор, сумматор, инвертор, аналого - цифровой преобразователь, многопозиционный переключатель, источник опорного напряжения, счетчик, элемент ИЛИ, вход запуска устройства, таймер, сигнальную лампу, задатчик значения тока нагрузки, блок индикации, дешифратор. Преимуществом устройства по сравнению с известными техническими решениями является повышение точности выбора токопроводов за счет учета зависимости постоянной нагрева от температуры токопровода и, следовательно, за счет более точного моделирования температуры токопровода в процессе изменения тока нагрузки. 4 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может использоваться в электроэнергетике для автоматического выбора токоведущих элементов систем электроснабжения по нагреву.

Известно устройство для моделирования изменения мощности нагрузки электроприемников [1] содержащее генераторы прямоугольных импульсов, распределители уровней, сумматоры, триггер, элемент И.

Недостатком аналога являются его узкие функциональные возможности, а именно применимость его для моделирования процессов изменения только мощности или тока нагрузки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для моделирования изменения мощности нагрузки электроприемников [2] содержащее генераторы прямоугольных импульсов, распределители импульсов, сумматоры, триггер, элементы И и ИЛИ, таймер, задатчик тока нагрузки, счетчик, индикатор, дешифратор, источник опорных напряжений, компаратор, квадратор, ограничительный резистор, усилитель постоянного тока, в обратную связь которого включена группа дифференцирующих цепочек и коммутаторов.

Недостатком прототипа является погрешность (как показывают расчеты, примерно 5-7%), возникающая из-за неучета зависимости постоянной нагрева от температуры выбираемого токопровода. Фактически постоянная нагрева токопровода в интервале рабочих температур изменяется примерно на 30% по линейному закону [3] Техническая задача, решаемая изобретением, повышение точности выбора токопроводов за счет учета зависимости постоянной нагрева от температуры токопровода и, следовательно, за счет более точного моделирования температуры токопровода в процессе изменения тока нагрузки.

Указанная задача решается тем, что в устройство для моделирования изменения мощности нагрузки электроприемников, содержащее блок моделирования тока нагрузки, первый управляющий вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ и через таймер связан с вторым управляющим входом блока моделирования тока нагрузки, сигнальный выход которого связан с выводом сигнальной лампы, а информационный выход блока моделирования тока нагрузки через квадратор соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого усилителя постоянного тока и первыми выводами группы дифференцирующих цепочек, образованных параллельно включенными резистором и конденсатором, вторые выводы дифференцирующих цепочек соединены соответственно с информационными входами первой группы коммутаторов, выходы которых подключены к выходу первого усилителя постоянного тока, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, компаратор, первый вход которого через многопозиционный переключатель подключен к выходам источника опорного напряжения, а выход соединен с тактовым входом счетчика и вторым входом элемента ИЛИ, первый вход которого связан с входом запуска устройства и входом управления записью счетчика, информационный вход которого подключен к выходу задатчика значения тока нагрузки, а выход счетчика соединен со входами блока индикации и дешифратора, выходы дешифратора соединены с управляющими входами соответствующих коммутаторов первой группы, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, вторая группа коммутаторов, сумматор, инвертор, второй усилитель постоянного тока, выход которого соединен с вторым входом компаратора и первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу инвертора и связан с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого подключен к выходу сумматора, а информационный выход аналого-цифрового преобразователя соединен с информационными цифровыми входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, аналоговый вход первого из которых соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя и аналоговым входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к выходу первого усилителя постоянного тока и соединен с информационными входами коммутаторов второй группы, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, а выходы коммутаторов второй группы соединены соответственно с первыми выводами группы масштабирующих резисторов, вторые выводы которых объединены и соединены с инвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, связанным через резистор обратной связи с выходом второго усилителя постоянного тока, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, вход инвертора соединен с первым входом компаратора, причем значения масштабирующих резисторов группы пропорциональны квадратам длительно допустимых токов токопроводов по шкале стандартных сечений.

На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг.2 графики изменения напряжения на элементах схемы; на фиг.3 вариант реализации схемы сумматора; на фиг.4 схема инвертора.

Устройство содержит блок 1 моделирования тока нагрузки, информационный выход которого через квадратор 2 соединен с аналоговым входом первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 3 и первым выводом ограничительного резистора 4, второй вывод которого подключен к выходу ЦАП 3, соединенному с аналоговым входом второго ЦАП 5, инвертирующим входом первого усилителя 6 постоянного тока (УПТ) и объединенными первыми выводами дифференцирующих цепочек, образованных параллельно включенными резисторами 7, 8 конденсаторами 9, 10, вторые выводы дифференцирующих цепочек через первую группу коммутаторов 11, 12 подключены к объединенным выходам второго ЦАП 5 и первого УПТ 6, соединенным с объединенными информационными входами второй группы коммутаторов 13, 14, выходы которых через группу масштабирующих резисторов 15, 16 соединены с инвертирующим входом второго УПТ 17, который через резистор 18 обратной связи с выходом второго УПТ 17, к которому подключены вторые входы компаратора 19 и сумматора 20, первый вход сумматора 20 подключен к выходу инвертора 21, связанному с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 22, информационный вход которого подключен к выходу сумматора 20, а информационный выход АЦП 22 соединен с информационными цифровыми входами первого 3 и второго 5 ЦАП, неинвертирующие входы первого 6 и второго 17 УПТ соединены с шиной нулевого потенциала, первый вход компаратора 19 соединен с входом инвертора 21 и через многопозиционный переключатель 23 подключен к выходам источника 24 опорного напряжения (ИОН), выход компаратора 19 соединен с тактовым входом счетчика 25 и вторым входом элемента ИЛИ 26, первый вход которого связан с входом управления записью счетчика 25 и подключен к входу 27 запуска устройства, выход элемента ИЛИ 26 соединен с первым управляющим входом блока 1 и входом запуска таймера 28, выход которого соединен со вторым управляющим входом блока 1, сигнальный выход которого связан с выводом сигнальной лампы 29, выход задатчика 30 значения тока нагрузки соединен с информационным входом счетчика 25, выход которого соединен с информационными входами блока 31 индикации и дешифратора 32, выходы дешифратора 32 соединены с управляющими входами соответствующих коммутаторов 11, 12 первой и коммутаторов 13, 14 второй групп.

Блок 1 моделирования тока нагрузки содержит n каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные генераторы 33, 34 прямоугольных импульсов (ГПИ), распределители 35, 36 уровней (РУ) и канальные сумматоры 37, 38, выходы которых соединены с входами выходного сумматора 39, выход которого является информационным выходом блока 1, последние выходы каждого РУ 35, 36 соединены с n входами элемента И 40, (n+1)-й вход которого является вторым управляющим входом блока 1, первый управляющий вход которого соединен с объединенными входами установки нуля РУ 35, 36 и входом установки "единицы" триггера 41, прямой выход которого соединен с объединенными управляющими входами ГПИ 33, 34, а инверсный выход триггера 41 является сигнальным выходом блока 1.

Сумматор 20 (фиг.3) содержит третий УПТ 42, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а выход соединен с выходом сумматора 20 и через второй резистор 43 обратной связи связан с инвертирующим входом третьего УПТ 42, связанным через вторую группу масштабирующих резисторов 44 и 45 с первым и вторым входами сумматора 20.

Инвертор 21 (фиг.4) содержит четвертый УПТ 46, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а выход соединен с выходом инвертора 21 и через третий резистор 47 обратной связи связан с инвертирующим входом четвертого УПТ 46, связанным через масштабирующий резистор 48 со входом инвертора 21.

Каждый из каналов блока 1, например первый, содержащий элементы 33, 35, 37, моделирует процесс изменения тока нагрузки индивидуального электроприемника. С помощью сумматора 39 напряжения всех каналов блока 1 суммируются, на выходе блока 1 имитируется процесс изменения суммарного тока нагрузки группы из n электроприемников.

При помощи дифференцирующих цепочек (выполненных на элементах 7-10) имитируется инерционный процесс изменения температуры в токопроводах. Процесс изменения температуры токопроводов моделируется с помощью двух последовательно включенных решающих усилителей, выполненных на УПТ 6 и 17. Коэффициент усиления по постоянному току первого из этих усилителей равен 1, для чего R₄ R₇ R₈ R. Масштабирование этого единичного процесса осуществляется вторым решающим усилителем (выполненным на УПТ 17), для чего соотношение резисторов 15-16 задано как R₁₅ R₁₆ I_N1² I_NK², (1) где I_NK длительно допустимый ток k-го кабеля; k номер кабеля по шкале стандартных сечений.

Постоянная времени k-й дифференцирующей цепочки определяется уравнением τ_мk= (2) где τ_мk машинная постоянная времени k-й дифференцирующей цепочки; τ_k реальная постоянная времени нагрева k-го токопровода (см. например, [4]); m_t масштаб по времени при моделировании процесса нагрева с помощью устройства.

Значения конденсаторов 9, 10 дифференцирующих цепочек определяются по формуле C_k= (3) Перед запуском устройства на выходе задатчика 30 устанавливается код номера i-го кабеля, длительно допустимый ток которого I_Ni примерно равен или является ближайшим большим среднему значению моделируемого блоком 1 процесса изменения тока нагрузки. В том случае, если трудно оценить среднее значение тока нагрузки, то на выходе задатчика 30 устанавливается нулевой код.

Время работы таймера 28 выбирается равным T K₁τ_max (4) где K₁ коэффициент, выбираемый в зависимости от требуемой точности расчета, в интервале от 3 до 5; τ_max постоянная времени нагрева токопровода, длительно допустимый ток которого равен или является ближайшим большим максимальному значению тока нагрузки моделируемого процесса; если максимальное значение тока нагрузки заранее неизвестно и его трудно оценить, то в качестве τ_maxзадается максимальное значение τ ряда рассматриваемого типа токопроводов по шкале стандартных сечений [4]
Время Т также должно быть больше длительности цикла t_ц графика нагрузки.

Первый вход компаратора 19, который является входом опорного напряжения компаратора, с помощью переключателя 23 подключается к выходу ИОН 24, который задает напряжение, пропорциональное максимально допустимой температуре ν_N расчетного токопровода:
U₂₄= (5) где m_ν масштаб по температуре нагрева токопровода.

Значение резистора 18 обратной связи может быть рассчитано по формуле
R₁₈= R₁₅ (6)
При запуске устройства содержимое задатчика 30 переписывается в счетчик 25. В зависимости от переписанного кода на одном из выходов дешифратора 32 появляется управляющее единичное напряжение. Рассмотрим случай, когда на выходе задатчика 30 присутствовал нулевой код. В этом случае управляющее напряжение появляется на первом выходе дешифратора 32, открывая коммутаторы 11 и 13. В результате решающие усилители, выполненные на УПТ 6 и 17, подготавливаются для работы в качестве инерционного звена с постоянной времени
= (7) где τ_м1 машинная постоянная времени нагрева 1-го кабеля (по шкале стандартных сечений [4]), равная постоянной времени 1-й дифференцирующей цепочки, включающей резистор 7 и конденсатор 9;
К₂ коэффициент пропорциональности; в [3] доказано, что этот коэффициент может быть приближено принят постоянным и равным 0,3;
ν* температура нагрева токопровода, выраженная в относительных единицах (о.е.), определяется по формуле
υ^*= (8) где ν текущее значение температуры нагрева токопровода;
ν_N максимальное длительно допустимое значение темпеpатуры токопровода.

Пусковой сигнал, проходя через элемент ИЛИ 26, устанавливает в нулевое состояние таймер 28 и блок 1 моделирования тока нагрузки. По выходам РУ 35, 36 начинает сканировать единичное напряжение на выходе блока 1 появляется модель процесса изменения тока нагрузки (см.фиг.2). Ступень напряжения U₁ (соответствующего току I), появляющаяся в момент времени t₁, возводится квадратором 2 в квадрат и подается на вход инерционного звена, выполненного на УПТ 6 и 17. Выходное напряжение УПТ 17 изменяется пропорционально температуре нагрева токопровода ν. Процесс изменения напряжения U₁₇ является решением следующего дифференциального уравнения:
+ U₁₇= U²₁
(9) или
· + U₁₇= U²₁
Уравнение (9) соответствует уравнению (10) нагрева реального токопровода
+ υ (10) и может быть получено из него с учетом следующих соотношений:
τ₁'=m_tτ_м1';
ν=m_νU₁₇
ν_N=m_νU₂₄
dt m_tdt_м;
I₁ m_IU₁; (11) где m масштабы различных величин при переходе от реальных величин к машинным переменным.

Моделирование постоянной времени τ_м1' в соответствии с формулой (7) осуществляется с помощью элементов 3, 5, 20-22 устройства.

Значение постоянной времени τ_м1 при U₁₇ 0 определяется по формуле (2) и задается в соответствии с формулой (3) произведением RC₉.

Нарастающее напряжение U₁₇ прикладывается к первому входу инвертирующего сумматора 20 (см. фиг.1, 3). К второму входу сумматора 20 с выхода ИОН 24 приложено напряжение U₂₄, пропорциональное максимальной допустимой температуре ν_N токопровода и инвертированное инвертором 21. В итоге на выходе сумматора 20 присутствует напряжение
U₂₀= U₂₄-U₁₇= (υ_N-υ) (12)
Это напряжение подается на информационный вход АЦП 22, к входу опорного напряжения которого с выхода инвертора 21 приложено напряжение
-U₂₄= υ_N
Выходной код АЦП 22 равен
K₂₂= M M M M(1-υ^*)
(13) где М полный код цифрового выхода АЦП 22, определяемый по формуле
М 2^m-1, (14) где m число двоичных разрядов АЦП 22.

Код К₂₂ прикладывается к цифровым входам ЦАП 3 и 5 и изменяет их проводимость в соответствии со следующей формулой
g₃ g₅ K₃K₂₂ K₂M (1 ν*), (15) где К₃ постоянный коэффициент пропорциональности.

Эквивалентная проводимость параллельно соединенных ограничительного резистора 4 и ЦАП 3 равна
g_3,4= g₃+g₄= K₃M(1-υ^*)+ (16)
Эквивалентная проводимость параллельно соединенных резистора 7 и ЦАП 5 равна
g_5,7= g₅+g₇= K₃M(1-υ^*)+ (17)
Постоянная времени решающего усилителя, выполненного на УПТ 6, равна
= R_5,7C₉= C₉=
(18)
Как видно, формула (18) эквивалентна формуле (7).

В формуле (18) K₂ K₃MR, откуда может быть найдено значение K₃=
Учитывая, что g_3,4 g_5,7 см. формулы (16) и (17), можно сделать вывод о том, что модуль коэффициента передачи решающего усилителя, выполненного на УПТ 6, равен 1 и не изменяется при изменении напряжения U₁₇.

В момент времени t₂ (cм.фиг.2) напряжение U₁₇ достигает значения опорного напряжения компаратора 19, что соответст- вует превышению температурой токопровода ν допустимого значения ν_N, компаратор 19 срабатывает, возвращая в исходное нулевое состояние таймер 28 и блок 1 моделирования тока нагрузки, а также увеличивая на единицу содержимое счетчика 25. В результате единичное напряжение появляется на втором выходе дешифратора 32 и открывает коммутаторы 12 и 14. Коммутаторы 11 и 13 закрываются, конденсатор 9 разряжается через резистор 7. Поскольку в момент открывания коммутаторов 12 и 14 конденсатор 10 был разряжен, то в момент времени t₂ напряжение U₁₇ cкачком спадает до нуля.

В момент времени t₃ на выходе блока 1 вновь появляется первая ступень напряжения U₁. На выходе УПТ 17 вновь начинает нарастать напряжение, однако теперь уже оно изменяется по экспоненте с постоянной времени τ_м2', соответствующей постоянной нагрева токопровода с большим сечением. В момент времени t₄ напряжение U₁₇ достигает напряжения срабатывания компаратора 19 (это означает, что и второй токопровод не проходит по нагреву), последний срабатывает, увеличивая содержимое счетчика 25 на единицу и т.д.

Наконец, в момент времени t₅ начинает имитироваться процесс нагрева очередного токопровода током нагрузки, в течение которого не наблюдается превышения допустимой температуры ν_N. В этом случае после окончания времени работы таймера 28 на его выходе появляется управляющий сигнал, который подается на вход многовходового элемента И 40. В момент окончания очередного цикла работы блока 1 на выходе элемента И 40 появляется импульс, переводящий триггер 41 в единичное состояние. При этом прекращается процесс моделирования тока нагрузки и загорается сигнальная лампа 29, сигнализируя об окончании расчета. На индикаторе 31 индицируется номер выбранного токопровода (по шкале стандартных сечений [4]).

Преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с известными является повышение точности выбора токопроводов за счет учета зависимости постоянной нагрева от температуры токопровода и, следовательно, за счет более точного моделирования температуры токопровода в процессе изменения тока нагрузки. Следует также отметить, что масштаб по времени m_t может быть выбран равным 10³ 10⁵, что позволяет выполнить расчет за несколько секунд. Устройство реализуется на широко распространенных микросхемах среднего уровня интеграции.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ТОКОВЕДУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, содержащее блок моделирования тока нагрузки, элемент ИЛИ, таймер, сигнальную лампу, квадратор, ограничительный резистор, первый усилитель постоянного тока, группу дифференцирующих цепочек, образованных параллельно включенными резистором и конденсатором, первую группу коммутаторов, многопозиционный переключатель, задатчик значения тока нагрузки, счетчик, дешифратор, блок индикации, компаратор, источник опорного напряжения, причем выход элемента ИЛИ подключен к первому управляющему входу блока моделирования тока нагрузки и входу запуска таймера, выход которого соединен с вторым управляющим входом блока моделирования тока нагрузки, сигнальный выход которого подключен к выводу сигнальной лампы, информационный выход блока моделирования тока нагрузки через квадратор соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого подключен к инвертирующему входу первого усилителя постоянного тока и первым выводам дифференцирующих цепочек группы, вторые выводы которых соединены соответственно с информационными входами коммутаторов первой группы, объединенные выходы которых подключены к выходу первого усилителя постоянного тока, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, выходы источника опорного напряжения через многопозиционный переключатель подключены к первому входу компаратора, выход которого соединен с тактовым входом счетчика и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к входу запуска устройства и входу управления записью счетчика, информационный вход которого соединен с выходом задатчика значения тока нагрузки, выход счетчика подключен к входам блока индикации и дешифратора, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих коммутаторов первой группы, отличающееся тем, что в него введены аналого-цифровой преобразователь, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, вторая группа коммутаторов, группа масштабирующих резисторов, резистор обратной связи, сумматор, инвертор и второй усилитель постоянного тока, выход которого подключен к второму входу компаратора и первому входу сумматора, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к информационным цифровым входам первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выход квадратора соединен с аналоговым входом первого цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к второму выводу ограничительного резистора и аналоговому входу второго цифроаналогового преобразователя, выходы второго цифроаналогового преобразователя и первого усилителя постоянного тока соединены с объединенными информационными входами коммутаторов второй группы, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, выходы коммутаторов второй группы соединены соответственно с одними выводами масштабирующих резисторов группы, другие выводы которых подключены к инвертирующему входу второго усилителя постоянного тока, связанному через резистор обратной связи с выходом второго усилителя постоянного тока, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, первый вход компаратора соединен с входом инвертора, выход которого подключен к второму входу сумматора и входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, причем значения масштабирующих резисторов группы пропорциональны квадратам длительно допустимых токов токопроводов по шкале стандартных сечений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4