Многофазный счетчик электрической энергии

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической энергии в многофазных цепях переменного тока. Устройство позволяет повысить точность измерения электрической энергии в многофазных сетях переменного тока при сохранении возможности реализации различных алгоритмов учета ее направления. Устройство содержит первый мультиплексор 1, n входов которого соединены с соответствующими входными клеммами напряжения и входами формирователя тактовых импульсов 12, второй мультиплексор 2, n входов которого соединены с соответствующими входными клеммами тока. Выходы мультиплексоров 1 и 2 подключены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя 3, выход которого соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) 4. Последний содержит последовательно соединенные управляемый инвертор 5, интегратор 6, гистерезисный компаратор 7, выход которого является выходом ПНЧ 4 и соединен с первым входом логического элемента Исключающее ИЛИ 8, второй вход которого является вторым входом ПНЧ 4, а выход соединен с управляющим входом управляемого инвертора 5. Выход аналогового перемножителя сигналов 3 соединен с входом фильтра низких частот 9, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня 10. Последний подключен к второму входу ПНЧ 4 и к первому входу блока обработки информации 11, второй вход которого соединен с выходом ПНЧ 4. Вход блока управления 13 соединен с выходом формирователя тактовых импульсов 12, а его выход с управляющими входами первого 1 и второго 2 мультиплексоров. 5 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной электрической энергии в многофазных цепях переменного тока.

Известен счетчик электрической энергии для раздельного измерения потоков энергии в обоих направлениях [1] содержащий аналоговый перемножитель, интегратор, преобразователь напряжения в частоту и детектор направления энергии. Недостатком этого устройства является низкая точность и сложность в многофазном исполнении.

Известен прибор для измерения электрической энергии [2] предназначенный для определения направления передачи электрической энергии и измерения ее расхода в трехфазной сети, содержащий три аналоговых коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации в виде микропроцессора и отсчетного устройства. Недостатками устройства являются низкая точность и сложность.

Известно устройство для измерения активной энергии в трехфазных цепях переменного тока [3] содержащее аналоговый перемножитель сигналов, компаратор нулевого уровня, фильтр низких частот, преобразователь напряжения в частоту и блок обработки информации.

Данное устройство позволяет измерять суммарную энергию при импульсно-реверсивном режиме за счет выделения энергии прямого и обратного направления. Недостатком этого устройства является низкая точность, что обусловлено введением последовательно по тракту преобразования измеряемого сигнала большого количества элементов, выполняющих линейные (сумматоры) и нелинейные (выпрямители) операции и приводящих к появлению дополнительных составляющих аддитивной ошибки, к которой особо чувствительны счетчики электрической энергии как приборы с нормируемой относительной погрешностью преобразования. Кроме того, устройство обладает принципиальной погрешностью измерения суммарной энергии при импульсно-реверсивном режиме из-за запаздывания сигнала в тракте формирования частотного импульсного сигнала (наличие фильтра низких частот и интегрирующего преобразователя напряжения в частоту) по отношению к сигналу знака мгновенной мощности на выходах компараторов нулевого уровня. Другим недостатком рассматриваемого устройства являются его низкие функциональные возможности, поскольку оно не позволяет производить раздельное измерение энергии прямого и обратного направления (работать в реверсивном режиме), а также производить измерение модуля проходящей по цепи мощности, потребность в котором возникает при необходимости предотвращения хищения электрической энергии у потребителей с гарантированным отсутствием ее рекуперации. Необходимость в большом количестве дополнительных элементов для придания устройству возможности измерения суммарной энергии при импульсно-реверсивном режиме, а также использование нескольких аналоговых перемножителей для многофазной цепи приводит к усложнению, удорожанию и снижению надежности прибора.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения электрической энергии в многофазных цепях переменного тока при сохранении возможности реализации различных алгоритмов учета ее направления, достигаемое за счет сокращения числа элементов в тракте преобразования измерительного сигнала и вносимых ими ошибок, а также исключения запаздывания сигнала в тракте формирования частотного импульсного сигнала по отношению к знаковому сигналу мгновенной мощности на выходах компараторов нулевого уровня. Кроме того, дополнительно решается задача упрощения устройства за счет снижения количества аналоговых решающих элементов.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее первую, вторую, n-ю входные клеммы напряжения, первую, вторую, n-ю входные клеммы тока, аналоговый перемножитель, преобразователь напряжения в частоту, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, компаратор нулевого уровня, выход которого соединен с вторым входом блока обработки информации, фильтр низких частот, введены первый и второй мультиплексоры, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами аналогового перемножителя, формирователь тактовых импульсов, первый, второй, n-ый входы которого соединены соответственно с первым, вторым, n-ым входами первого мультиплексора и соответствующими входными клеммами напряжения, а первый, второй, n-ый входы второго мультиплексора соединены с соответствующими входными клеммами тока, блок управления, вход которого подключен к выходу формирователя тактовых импульсов, выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, преобразователь напряжения в частоту содержит управляемый инвертор, интегратор, гистерезисный компаратор и логический элемент Исключающее ИЛИ, причем вход управляемого инвертора является первым входом преобразователя напряжения в частоту, выход управляемого инвертора соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входом гистерезисного компаратора, выход которого является выходом преобразователя напряжения в частоту и подключен к первому входу логического элемента Исключающее ИЛИ, второй вход которого является вторым входом преобразователя напряжения в частоту, а выход логического элемента Исключающее ИЛИ подключен к управляющему входу управляемого инвертора, выход аналогового перемножителя соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту и входом фильтра низких частот, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня, выход компаратора нулевого уровня соединен также с вторым входом преобразователя напряжения в частоту.

За счет указанной совокупности отличительных признаков предлагаемое устройство обладает более высокой точностью.

Во-первых, это достигается за счет того, что из тракта преобразования, начиная от сигнала мгновенной мощности на выходе аналогового перемножителя, до его преобразования в частоту импульсного сигнала, исключены дополнительные операции суммирования, выпрямления и фильтрации низких частот и соответствующие элементы, имеющиеся в прототипе. Это позволяет исключить и ошибки, вносимые элементами, реализующими указанные операции.

Во-вторых, в предлагаемом устройстве отсутствует принципиальная погрешность измерения суммарной энергии при импульсно-реверсивном режиме, поскольку запаздывание сигнала в тракте определения знака активной мощности, вносимое фильтром низких частот, покрывается всегда превышающим его временем прохождения выходного сигнала интегратора от нижней до верхней границ (порогов) петли гистерезисного компаратора. Поэтому при работе в реверсивном режиме в блок обработки информации пропускаются импульсы, соответствующие мощности обратного по отношению к предшествующему режиму направления, если величина энергии превышает минимально различимый квант энергии. Меньшие же уровни мощности другого направления учитываются в суммарной энергии основного направления.

В-третьих, в предлагаемом устройстве мала чувствительность результата преобразования в частоту импульсного сигнала к аддитивным составляющим аппаратурной погрешности интегратора, приведенным к его входу и вызванным, например, параметрами неидеальности операционного усилителя этого блока, поскольку при двойном интегрировании сигнала мгновенной мощности (в прямом и обратном направлении) эта погрешность пропорциональна квадрату отношения уровней рабочего (полезного) и паразитных сигналов независимо от характера (потенциального или токового) входного сигнала интегратора. Возможные источники аддитивных ошибок в виде напряжений на емкости интегратора или порогов срабатывания гистерезисного компаратора проявляются на фоне больших по величине уровней указанных порогов независимо от значения измеряемой мощности нагрузки, то есть проявляются в частотном выходном сигнале в виде относительной погрешности. Устранение указанных аддитивных ошибок позволяет расширить диапазон преобразования мощности в частоту с нормированной величиной относительной погрешности до 2-3 декад измеряемой мощности и при этом сохранить работоспособность при любом направлении средней мощности.

Предлагаемая реализация преобразования мгновенной мощности в частоту импульсного сигнала позволяет не только повысить точность и упростить устройство в целом за счет исключения указанных элементов прототипа, но и обеспечить работоспособность при любом из двух возможных направлений средней многофазной мощности в измеряемой цепи, а при различных режимах работы блока обработки информации производить либо раздельное измерение энергии прямого и обратного направления (работать в реверсивном режиме), либо измерение модуля проходящей по цепи мощности, то есть расширить функциональные возможности в сравнении с прототипом.

Решению поставленной задачи служит также первый и второй мультиплексоры, формирователь тактовых импульсов и блок управления, позволяющие распространить указанные выше преимущества предлагаемого устройства на многофазные цепи. Использованные в устройстве управляемый инвертор, интегратор и гистерезисный компаратор, позволяют производить преобразование мгновенной трехфазной мощности в частоту при произвольной частоте коммутации фазных величин, при этом используется только один аналоговый перемножитель и исключается необходимость получения суммарного сигнала многофазной мгновенной мощности. Коммутация с частотой сетевого напряжения, обеспечиваемая соединением входов формирователя тактовых импульсов с входными клеммами напряжения, повышает стабильность длительности периода импульсного выходного сигнала гистерезисного компаратора и облегчает настройку и поверку многофазного счетчика. Последнее обеспечивается соединением n входов формирователя тактовых импульсов с соответствующими входными клеммами напряжения устройства.

На фиг. 1 приведена функциональная схема многофазного счетчика электрической энергии; на фиг. 2 схема возможной реализации формирователь тактовых импульсов; на фиг. 3 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для раздельного измерения потоков электрической энергии обоих направлений; на фиг. 4 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для измерения среднего потока электрической энергии для потребителей с возможной ее рекуперацией; на фиг. 5 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для измерения модуля прошедшей через измеряемую цепь электрической энергии.

Устройство содержит первый 1 мультиплексор, первый, n-й входы которого соединены соответственно с входными клеммами напряжения U₁, U_n и второй 2 мультиплексор, первый, n-й входы которого соединены соответственно с входными клеммами тока I₁, I_n. Выходы первого 1 и второго 2 мультиплексоров соединены соответственно с первым и вторым входами аналогового перемножителя 3, выход которого соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту 4. Преобразователь напряжения в частоту 4 выполнен в виде управляемого инвертора 5, вход которого является первым входом преобразователя напряжения в частоту 4, а его выход соединен с входом интегратора 6, выходом подключенного к входу гистерезисного компаратора 7, выход которого является выходом преобразователя напряжения в частоту 4 и соединен с первым входом логического элемента Исключающее ИЛИ 8, второй вход которого является вторым входом преобразователя напряжения в частоту 4, а его выход соединен с управляющим входом управляемого инвертора 5. Выход аналогового перемножителя 3 соединен с входом фильтра низких частот 9, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня 10. Компаратор нулевого уровня 10 подключен к второму входу преобразователя напряжения в частоту 4 и к второму входу блока обработки информации 11, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту 4.

Первый, второй, n-ый входы формирователя тактовых импульсов 12 соединены соответственно с первым, вторым, n-ым входами первого мультиплексора 1 и входными клеммами напряжения, а первый, второй, n-ый входы второго мультиплексора 2 соединены с соответствующими входными клеммами тока. Вход блока управления 13, соединен с выходом формирователя тактовых импульсов 12, а его выход с управляющими входами первого 1 и второго 2 мультиплексоров.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Первый 1 и второй 2 мультиплексоры пропускают соответственно на первый и второй входы аналогового перемножителя 3 сигналы тока и напряжения с входных клемм напряжения и тока одной из n одноименных фаз в течение времени, равного или кратного длительности периода выходного сигнала формирователя 12 тактовых импульсов. Открытое состояние в течение указанного времени только одного ключа одноименной фазы первого 1 и второго 2 мультиплексоров обеспечивает блок управления 13, в качестве которого может быть использован n-фазный распределитель импульсов. Аналоговый перемножитель 3 осуществляет четырехквадрантное перемножение сигналов напряжения и тока одноименной фазы и его выходной сигнал в течение одного периода работы формирователя 12 тактовых импульсов характеризует мгновенную мощность соответствующей фазы сети.

Преобразование выходного сигнала аналогового перемножителя 3 в частоту производится следующим образом. Фильтр низких частот 9 производит его усреднение по времени, причем постоянная времени фильтра выбирается в n раз больше периода основной гармоники входных сигналов, так что сигнал P_a на его выходе, являющемся аналоговым выходом преобразователя напряжения 4, пропорционален средней активной мощности всех фаз сети, а его полярность однозначно соответствует знаку (направлению) этой мощности. В сети переменного тока этот сигнал характеризует активную мощность, то есть учитывает и коэффициент мощности. Для фиксации знака активной мощности служит компаратор нулевого уровня 10, его двоичный выходной сигнал S_p используется при преобразовании мощности в частоту и представлении результата измерения.

Амплитуда сигнала на выходе управляемого инвертора 5 также пропорциональна амплитуде мгновенной мощности одной из фаз сети на выходе аналогового перемножителя 3, полярность же его соответствует или инверсна полярности последней в зависимости от управляющего сигнала на другом входе этого элемента. При ненулевой мощности в измеряемой цепи какого-либо одного направления в зависимости от полярности выходного сигнала управляемого инвертора 5 напряжение на выходе интегратора 6 увеличивается или уменьшается и определяет одно из двух возможных состояний гистерезисного компаратора 7. Значение выходного сигнала этого элемента, устанавливающееся при увеличении напряжения на выходе интегратора 6 и достижении его величины верхнего порога, сохраняется после этого как при больших значениях этого напряжения, так и при его уменьшении вплоть до нижнего порога, когда состояние гистерезисного компаратора 7 принимает свое второе значение. В свою очередь, второе состояние сохраняется после этого, как при значениях напряжения на выходе интегратора 6, меньших нижнего порога, так и при больших, но не превышающих верхнего порога срабатывания. Состояние управляемого инвертора 5 и гистерезисного компаратора 7 согласуются через логический элемент Исключающее ИЛИ 8 таким образом, что для какого-либо одного из двух возможных направлений средней многофазной мощности в измеряемой цепи при достижении напряжения на интеграторе 6 верхнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 7 его изменившийся выходной сигнал переключает состояние управляемого инвертора 5, что приводит к уменьшению напряжения на интеграторе 6. Постоянная интегрирования интегратора 6 выбирается такой, чтобы при максимальной мощности в максимально нагруженной фазе сети изменение напряжения на выходе интегратора 6 было, по крайней мере, в n раз меньше разности верхнего и нижнего порогов срабатывания гистерезисного компаратора 7 (ширина петли гистерезиса). При соблюдении указанных условий и неизменном направлении средней мощности в измеряемой сети отрицательная обратная связь, осуществляемая соединением через логический элемент Исключающее ИЛИ 8 выхода гистерезисного компаратора 7 и управляющего входа управляемого инвертора 5, обеспечивает поддержание напряжения на выходе интегратора 6 внутри диапазона, ограниченного верхним и нижним порогами срабатывания гистерезисного компаратора (ширины петли гистерезиса). При этом осуществляется непрерывное интегрирование сигнала мгновенной мощности, что соответствует методически точному алгоритму вычисления активной энергии в цепи переменного тока. Фиксируемое гистерезисным компаратором изменение результата интегрирования на величину, равную ширине его петли гистерезиса, равно минимально различимому кванту активной энергии. Подсчет же числа этих квантов в виде соответствующих им выходных импульсов гистерезисного компаратора позволяет методической погрешности (с точностью до одного кванта) определять величину активной энергии за время измерения. Средняя частота импульсного сигнала на его выходе F пропорциональна мощности, протекающей в измеряемой цепи. Указанный параметр в сети переменного тока характеризует активную мощность, то есть учитывает и коэффициент мощности.

При изменении направления средней многофазной мощности в измеряемой цепи указанное условие нарушается. Для обеспечения работоспособности преобразователя напряжения в частоту в этом случае используется изменившийся выходной сигнал S_p компаратора нулевого уровня 10, характеризующий знак (направление) многофазной активной мощности. Он переводит логический элемент Исключающее ИЛИ 8 в режим инвертирования выходного сигнала гистерезисного компаратора 7, поступающего на первый вход логического элемента Исключающее ИЛИ 8, и обеспечивает тем самым выполнение условия отрицательности обратной связи преобразования в частоту при любом направлении активной мощности. При этом средняя частота импульсов на выходе гистерезисного компаратора пропорциональна многофазной активной мощности в измеряемой цепи и не зависит от ее направления.

Для правильной работы устройства необходимо наличие гистерезиса передаточной характеристики преобразования у гистерезисного компаратора 7. Другое используемое в литературе название таких элементов регенераторный компаратор, реализуемый на одном или двух компараторах с обязательным введением элементов с положительной обратной связью. Хорошо известными являются и методы стабилизации порогов срабатывания и ширины петли гистерезиса.

В предлагаемом устройстве синхронизация работы формирователя тактовых импульсов 12 и сети не является обязательной, при этом частота сигнала на выходе формирователя тактовых импульсов 12 может быть как больше, так и меньше частоты сети. Это не приводит к принципиальным ошибкам в измерении электрической энергии в течение длительного интервала времени. Следует, тем не менее, учитывать возрастание погрешностей, обусловленных коммутацией ключей мультиплексоров 1 и 2 при частотах, значительно превышающих частоту сети. Однако при низкой частоте выходных сигналов формирователя тактовых импульсов, близкой к частоте сети, возможная несинхронность приводит к появлению нестабильности длительности соседних по времени выходных импульсов преобразователя напряжения в частоту 4, особенно при больших уровнях мощности нагрузки, что затрудняет поверку счетчика (требует увеличения длительности его поверки). Целесообразно поэтому выполнить формирователь тактовых импульсов 12 синхронизированным по частоте с напряжением сети, при этом важно обеспечить это свойство при исчезновении любого из фазных напряжений. Предлагаемая реализация формирователя тактовых импульсов 12, в виде сумматора с усилением, например, как показано на фиг. 2, на операционном усилителе 14, отрицательную обратную связь которого образует стабилитрон 15, позволяет удовлетворить этим требованиям, при этом достаточно весовые коэффициенты суммирования (резисторы 16-1, 16-n) выбрать неравными и не соответствующими вероятной несимметрии фазных напряжений.

Выходной импульсный сигнал F преобразователя напряжения в частоту и выходной сигнал S_p знака мощности поступают на вход блока обработки информации, который осуществляет накопление, хранение и отображение числа накопленных импульсов с выхода преобразователя напряжения в частоту, характеризующего измеренное количество электрической энергии. При этом предлагаемый многофазный счетчик позволяет производить измерение энергии в соответствии с различными встречаемыми в практике алгоритмами учета ее направления (знака): раздельное измерение потоков электрической энергии обоих направлений по сети (например, для межсистемного учета), измерение среднего потока электрической энергии для потребителей с возможной ее рекуперацией и, наконец, измерение модуля прошедшей через измеряемую цепь электрической энергии для потребителей, у которых отсутствует возможность ее рекуперации. Реализация этих алгоритмов при наличии указанных выше логических сигналов F и S_p хотя и требует некоторого различия в выполнении блока обработки информации, но форма выполнения последнего не влияет на результат решения основной решаемой задачи и потому не относится к числу существенных признаков. Для раздельного учета энергии разного направления блок обработки информации 11 содержит (фиг. 3) два счетчика импульсов 17 и 18, импульсный выходной сигнал преобразователя напряжения в частоту F через демультиплексор 19, управляемый знаковым сигналом S_p, поступает на счетные входы первого 17 или второго 18 счетчиков импульсов, содержимое которых отображается соответственно первым 20 и вторым 21 отсчетными устройствами и характеризует многофазную активную мощность прямого и обратного направления. Для потребителей с возможной рекуперацией электрической энергии в блоке обработки информации 11 используется (фиг. 4) реверсивный счетчик 22, направление счета которым импульсных сигналов F управляется знаковым сигналом S_p, а содержимое реверсивного счетчика 22 отображается отсчетным устройством 23 и характеризует разницу между потребленной и возвращенной в сеть электрической энергией. В третьем, наиболее распространенном случае, когда у потребителей отсутствует возможность рекуперации электрической энергии, целесообразно, чтобы счетчик производил измерение ее модуля, что позволяет затруднить хищение электрической энергии при намеренном изменении ее направления. В этом случае блок обработки информации 11 содержит (фиг. 5) только счетчик импульсов 24 и отсчетное устройство 25, характеризующее потребленную многофазную активную энергию.

Очевидно, что возможно также построение блока обработки информации, совмещающего все три перечисленные функции, при условии введения переключения режима работы.

Формула изобретения

Многофазный счетчик электрической энергии, содержащий первую, вторую, n-ю входные клеммы напряжения, первую, вторую, n-ю входные клеммы тока, аналоговый перемножитель, фильтр низких частот, преобразователь напряжения в частоту, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, компаратор нулевого уровня, выход которого соединен с вторым входом блока обработки информации, отличающийся тем, что он содержит первый и второй мультиплексоры, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами аналогового перемножителя, формирователь тактовых импульсов, первый, второй, n-й входы которого соединены соответственно с первым, вторым, n-м входами первого мультиплексора и соответствующими входными клеммами напряжения, первый, второй, n-й входы второго мультиплексора соединены с соответствующими входными клеммами тока, блок управления, вход которого подключен к выходу формирователя тактовых импульсов, а выход соединен с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, преобразователь напряжения в частоту содержит управляемый инвертор, интегратор, гистерезисный компаратор и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем вход управляемого инвертора является первым входом преобразователя напряжения в частоту, а выход соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входом гистерезисного компаратора, выход которого является выходом преобразователя напряжения в частоту и подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого является вторым входом преобразователя напряжения в частоту, а выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к упавляющему входу управляемого инвертора, выход аналогового перемножителя соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту и входом фильтра низких частот, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня, выход которого соединен также с вторым входом преобразователя напряжения в частоту.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 11.08.2003

Извещение опубликовано: 27.09.2004        БИ: 27/2004