Информационно-измерительная система для контроля качества электрической энергии

Полезная модель относится к области информационно-измерительной техники, в частности, к устройствам, предназначенным для контроля качества электрической энергии. Информационно-измерительная система состоит из аналогового блока, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера, интерфейсного блока, связанного с локальной вычислительной сетью, клавиатуры, часов, Flash-памяти и индикатора. Спектральные составляющие входного сигнала определяются таким образом, что входные отсчеты по времени умножаются на оцифрованную оконную функцию, которая вычисляется предварительно и сохраняется в памяти микроконтроллера, а частоты, амплитуды, фазы гармоник определяются по сохраненному в памяти микроконтроллера набору эталонных частотных характеристик оконной функции, каждая из которых сдвинута по частоте относительно друг друга на величину, определяемую необходимой точностью измерения спектральных составляющих сигнала.

Полезная модель относится к области информационно-измерительной техники, в частности, к устройствам, предназначенным для контроля качества электрической энергии.

Известно устройство для контроля качества электрической энергии, «Прорыв КЭ» (Тухас В.А., Эйнтроп С.А., Шелестов А.С., Пожидаев С.В. Прибор для измерения показателей качества электроэнергии «Прорыв-КЭ». - М.: Технологии ЭМС, 2004, 1, с.57-64), состоящий из измерительных блоков, каждый из которых содержит блок сглаживающих фильтров, входной делитель напряжения, масштабирующий усилитель; микроконтроллера и периферийного блока, включающего интерфейс RS-232, часы и память. Прибор используется для контроля показателей качества электроэнергии, в том числе и для определения спектрального состава сигнала. Спектр сигнала выделяется при помощи быстрого Фурье-преобразования.

Прибор работает следующим образом: измеряемое напряжение каждой из фаз подается на вход своего измерительного блока. На входе установлен блок сглаживающих RC фильтров. После прохождения фильтров напряжение преобразовывается при помощи входного делителя напряжения. Следующим преобразующим устройством является масштабирующий усилитель. Его использование обусловлено необходимостью согласования уровней сигнала, поступающих с выхода входного делителя напряжения, и сигнала, поступающего на вход АЦП. После оцифровки измеряемого сигнала производится выделение первой гармоники напряжения каждой из фаз, с помощью быстрого преобразования Фурье, расчет установившегося отклонения напряжения по ГОСТ 13109-97, выделение частоты сигнала, расчет отклонения частоты. После этого происходит запись рассчитанных и усредненных показателей качества электроэнергии в карту памяти вместе со временем их регистрации. Все эти операции производит микроконтроллер семейства 18051, являющийся блоком обработки и управления прибора. Считывание накопленной в памяти информации осуществляется через порт RS-232 внешней ЭВМ.

Недостатком прибора является низкая точность при определении спектрального состава сигнала, обусловленная тем, что при определении спектрального состава сигнала не учитывается отклонение частоты сигнала, вследствие чего происходит эффект «размытия спектра» и возникают погрешности определения спектральных составляющих сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является базовый информационный модуль разработки фирмы ГОСАН (Базовый информационно-измерительный модуль. Техническое описание ФЮКВ422231.250ТО. http://www.gosan.ru/download/documentation/files/bim_to_em.pdf), который является многофункциональным микропроцессорным устройством сопряжения с объектами электротехнического назначения, выполняющим функции контроля качества электрической энергии по ГОСТ 13109-97.

Устройство состоит из платы АЦП, содержащей мультиплексор 8×1, масштабирующий усилитель, АЦП, синтезатор частоты и FLASH-блок калибровок; платы процессора, содержащей процессор обработки сигнала, сторож, блоки памяти ОЗУ и FLASH, часы, ионистор; интерфейсных модулей и модуля индикации.

Недостатком данного устройства является аппаратная избыточность, которая заключается в использовании синтезатора частоты, предназначенного для коррекции частоты дискретизации АЦП при изменении частоты измеряемого сигнала с целью устранения эффекта «размытия спектра» и повышения точности определения спектрального состава сигнала.

Целью полезной модели является сокращение аппаратной избыточности устройства и передача функции компенсации влияния изменения частоты входного сигнала на точность определения спектральных составляющих входных сигналов программному обеспечению микроконтроллера.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно соединенные аналоговый блок, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и интерфейсный блок, связанный с локальной вычислительной сетью, а также подключенные к входу микроконтроллера клавиатуру, часы и Flash-память и подключенный к выходу микроконтроллера индикатор, при этом на измерительные входы аналогового блока подаются измеряемые сигналы, а его управляющий вход соединен с управляющим выходом микроконтроллера, программное обеспечение функции определения спектральных составляющих входного сигнала выполнено таким образом, что входные отсчеты по времени умножаются на оцифрованную оконную функцию, которая вычисляется предварительно и сохраняется в памяти микроконтроллера, а частоты, амплитуды, фазы гармоник определяются по сохраненному в памяти микроконтроллера набору эталонных частотных характеристик оконной функции, каждая из которых сдвинута по частоте относительно друг друга на величину, определяемую необходимой точностью измерения спектральных составляющих сигнала.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство работает следующим образом. Измеряемые входные токи и напряжения подаются на измерительные входы аналогового блока, в котором подвергаются операциям фильтрации, усиления, нормализации и в заданном микроконтроллером порядке поступают на вход АЦП. Этот блок преобразует измеряемые сигналы в цифровую форму и подает на вход микроконтроллера, который в соответствии с заданной программой вычисляет требуемые показатели качества электрической энергии, отображают их на индикаторе и через интерфейсный блок передает в локальную вычислительную сеть другим устройствам. Клавиатура предназначена для задания режимов работы устройства и ручного ввода различных уставок, часы позволяют определять текущее время, во Flash-памяти хранятся уставки и программа, по которой микроконтроллер производит обработку данных.

Частота контролируемого сигнала может изменяться, при этом в выборке (период времени, за который производится операция измерения) может не быть целого числа периодов синусоидального сигнала. Разрывы, которые образуются в конечных точках выборки, приводят к расширению спектра анализируемого сигнала вследствие появления дополнительных гармоник (фиг.2). В дополнение к появлению боковых лепестков, происходит расширение основного лепестка, что приводит к снижению разрешающей способности по частоте. Этот процесс эквивалентен перемножению входного синусоидального сигнала с прямоугольным импульсом, который имеет известную частотную характеристику sin(x)/x и связанные с этим широкий основной лепесток и боковые лепестки.

Первый боковой лепесток только на 12 дБ ниже основного, боковые лепестки имеют спад только 6 дБ/октаву. Такая ситуация неприемлема для большинства задач анализа спектра. Поскольку в практических приложениях спектрального анализа точные входные частоты неизвестны, уменьшение боковых лепестков достигается выбором оконной функции с более сложной формой, чем прямоугольная, например, оконная функция Кайзера. Входные отсчеты по времени умножаются на соответствующую функцию окна, что влечет за собой обнуление сигнала на краях выборки (фиг.3).

Оцифрованные оконные функции обычно вычисляются предварительно и сохраняются в памяти микроконтроллера с целью минимизации вычислений непосредственно при реализации функций спектрального анализа.

При несоответствии частоты дискретизации частоте сигнала возникает погрешность измерения, проиллюстрированная на фиг.4. Верхняя часть рисунка соответствует идеальному случаю, когда частота дискретизации кратна частоте сигнала. Точками показаны отсчеты спектра, рассчитанные с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Наибольший по амплитуде отсчет позволяет точно определить частоту, амплитуду и фазу сигнала.

В случае не кратности частот максимальная амплитуда сигнала попадает между отсчетами ДПФ. Определение указанных параметров без учета этого явления приводит к погрешности, показанной на рисунке.

Для устранения погрешности нужно определить, насколько сместился центр оконной функции относительно наибольшего отсчета ДПФ. Для этого используется набор из 64 эталонных моделей оконных функций, смещенных друг от друга на 1/64 разницы частот между двумя отсчетами ДПФ. Эталонная модель представляет собой 5 отсчетов ДПФ, рассчитанных для соответствующим образом смещенного единичного сигнала, помноженного на оконную функцию.

Для определения наиболее подходящего эталона рассчитывается коэффициент корреляции между каждым эталоном и 5 отсчетам ДПФ, полученных при измерении (отсчет с максимальной амплитудой и по два отсчета до и после него). Наибольший коэффициент корреляции указывает на наиболее подходящий эталон, по которому, в свою очередь, можно устранить погрешность измерения.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволит сократить аппаратную избыточность устройства и передать функции компенсации влияния изменения частоты входного сигнала на точность определения спектральных составляющих входных сигналов программному обеспечению микроконтроллера.

Информационно-измерительная система для контроля качества электрической энергии, содержащая последовательно соединенные аналоговый блок, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и интерфейсный блок, связанный с локальной вычислительной сетью, а также подключенные к входу микроконтроллера клавиатуру, часы и Flash-память и подключенный к выходу микроконтроллера индикатор, при этом на измерительные входы аналогового блока подаются измеряемые сигналы, а его управляющий вход соединен с управляющим выходом микроконтроллера, отличающаяся тем, что программное обеспечение функции определения спектральных составляющих входного сигнала выполнено таким образом, что входные отсчеты по времени умножаются на оцифрованную оконную функцию, которая вычисляется предварительно и сохраняется в памяти микроконтроллера, а частоты, амплитуды, фазы гармоник определяются по сохраненному в памяти микроконтроллера набору эталонных частотных характеристик оконной функции, каждая из которых сдвинута по частоте относительно друг друга на величину, определяемую необходимой точностью измерения спектральных составляющих сигнала.