автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Измеритель параметров сетевого напряжения

0031ТТ5Э5

На правах рукописи

КУДАШОВ Александр Викторович

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ш 2007

ПЕНЗА 2007

003177595

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чернецов Владимир Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макарычев Петр Петрович; кандидат технических наук Юрманов Валерий Анатольевич.

Ведущее предприятие - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится 28 декабря 2007 г, в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу. 440026, г. Пенза, ул Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»; автореферат размещен на сайте университета, \vww.pixzgu ги

Автореферат разослан 28 ноября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Светлов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время все большее внимание уделяется повышению точности процессов измерения в области электроэнергетики Это объясняется тем, что электрическая энергия является одним из основных энергоносителей, используемых сегодня в мире, и в соответствии со статьей 7 Закона Российской Федерации от 13 августа 1997 г. № 1013 электроэнергия занесена в разряд товаров, и ее качество подлежит обязательной сертификации. Круг потребителей электроэнергии очень широк, от физических лиц до крупнейших промышленных предприятий и целых отраслей Выход показателей качества электроэнергии (ПКЭ) за допустимые пределы приводит к нарушению работоспособности оборудования, отключению ответственных нагрузок, нарушению технологических процессов и, как следствие, к материальному и моральному ущербу.

Большой вклад в развитие теории и практики построения средств измерений (СИ) показателей качества электрической энергии внесли коллективы отечественных ученых, руководимые в разное время В Ф Бахмутским, В А. Вениковым, И. М Вишенчуком, И В Же-желенко, Ю С. Железко, К. Л Куликовским, В. Н Малиновским, А. И Мартяшиным, А М Мелик-Шахназаровым, Б Я Швецким, Г. П. Шлыковым, В М Шляндиным, Г. А. Штамбергером и др.

Требования к качеству электрической энергии определяются ГОСТ 13109-97. Но по «Временному порядку сертификации электрической энергии» обязательный контроль ведется только по двум ПКЭ: провалам напряжения и частоте Это объясняется дороговизной имеющихся универсальных средств контроля, громоздкостью оборудования и неудобством эксплуатации, особенно в сетях высокого напряжения. Вместе с тем разработка сравнительно просто реализуемых способов измерения таких параметров, как действующее значение сетевого напряжения (тока) и частоты, дает возможность определения большинства остальных параметров ПКЭ, регламентируемых ГОСТ 13109-97 В связи с этим разработка измерителей перечисленных параметров является актуальной задачей.

Следует также отметить, что широкое применение средств вычислительной техники открывает новые перспективы в области совершенствования алгоритмов измерения и улучшения метрологиче-

ских и функциональных характеристик средств измерений параметров сетевого напряжения

Цель работы - разработка и исследование способов измерения действующего значения напряжения, тока, частоты, создание математического и программно-аппаратного обеспечения процессов обработки измерительной информации, исследование и апробация найденных решений.

В соответствии с этим решаются следующие основные задачи:

- определение перспективных путей совершенствования средств измерения напряжения, тока и частоты сети на базе современных информационных технологий и аппаратных средств, разработка на этой основе способов и алгоритмов измерения, структурных и функциональных схем, а также исследование влияния основных элементов СИ и устройств мониторингового контроля таких показателей качества электроэнергии, как действующее значение напряжения (ДЗН), тока и частоты;

- разработка имитационных моделей СИ и аналитическое исследование методических погрешностей измерения, исследование на ЭВМ эффективности алгоритмов измерения параметров сетевого напряжения и показателей качества электроэнергии при различных отклонениях параметров напряжения,

- апробация разработанных способов, алгоритмов измерения и методик обработки измерительной информации; практическое применение в хоздоговорных научно-исследовательских работах и в учебном процессе

Предмет исследований:

1 Способы и алгоритмы измерения параметров сетевого напряжения, тока, частоты, обеспечивающие повышение быстродействия и улучшение метрологических характеристик СИ

2 Математические модели измерительных преобразователей и приборов для оценки ПКЭ, реализующих разработанные способы измерения параметров напряжения, тока, частоты, и исследование их погрешностей

3 Современное аппаратно-алгоритмическое и математическое обеспечение задач контроля электроэнергетических характеристик

сетевого напряжения, тока, частоты и ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97 и определение путей построения измерительных приборов на базе персональных компьютеров.

Методы исследований включают в себя методы математического анализа, методы линейной алгебры, методы теории непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования, численные методы математики и цифровой фильтрации, методы статистического имитационного моделирования на ЭВМ и методы теории планирования экспериментов. Соответствующие теоретические исследования проводились с использованием сред программирования МаШСАБ и 8шш1тк

Научная новизна работы:

1 Предложен способ измерения действующего значения напряжения для оценки показателей качества электроэнергии, отличающийся тем, что возведенное в квадрат напряжение задерживают на два различных фиксированных интервала времени, осуществляют их интегрирование, а интервал интегрирования определяют по моментам равенства трех значений результатов интегрирования, при этом результат измерения определяют по полученным интегральным значениям

2. Разработаны алгоритмы измерения частоты сетевого напряжения, адаптированные для применения в измерителях на базе персональных компьютеров

3 Разработаны математические модели измерителей показателей напряжения сети, адекватность моделей подтверждена результатами имитационного статистического моделирования на ЭВМ

На защиту выносятся:

1 Способ измерения действующего значения напряжения сети, отличающийся тем, что возведенное в квадрат напряжение задерживают на два различных фиксированных интервала времени, осуществляют их интегрирование, а интервал интегрирования определяют по моментам равенства трех значений результатов интегрирования, при этом результат измерения определяют по полученным интегральным значениям

2. Обоснование структурной схемы измерителя показателей качества электроэнергии на базе персональных компьютеров.

3. Анализ методических погрешностей измерений предложенного способа и синтез математических моделей измерителя, учитывающих влияние случайных и динамических погрешностей на основе методов моделирования с использованием пакета Simulmk\ Power Systems Blockset, входящего в состав программы MathLAB и программы MathCAD.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке программно-аппаратной части измерительного преобразователя для измерения интегральных параметров сетевого напряжения, разработке методик и MathCAD- и Simulink-программ для имитационного статистического моделирования алгоритмов обработки информации при исследовании метрологических характеристик измерительных приборов и систем Представленные в работе результаты информационного поиска, а также методики и программы позволяют решать практически весь комплекс задач по проектированию приборов и систем для измерения и контроля ПКЭ, в том числе установившегося значения отклонения напряжения, среднеквадратичного значения напряжения, среднеквадратичного значения тока, частоты

Основание для проведений работы. Работа выполнена в соответствии с планами проведения и реализации ряда госбюджетных и хоздоговорных НИР Пензенского государственного университета и Пензенского регионального центра высшей школы (филиала) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства по заказам промышленных и энергоснаб-жающих предприятий.

Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных и научно-исследовательских работ, в выполнении которых автор принимал участие в Пензенском государственном университете и в Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП) В данных НИР решались методологические и технические вопросы проектирования приборов и систем на базе персональных компьютеров для измерения и контроля ПКЭ по установившемуся отклонению напряжения, среднеквадратичному значению напряжения, тока, частоте

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в виде методик исследования, программ и блока измерителя в подразделениях ЗАО «Энергосервис», ООО «Вектор», ООО «ДИО», ООО НПП «Электроэнергетика» и используются на кафедрах Пензенского госуниверситета и в подразделениях Пензенского филиала РГУИТП при выполнении хоздоговорных НИР и в учебном процессе.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТС Пензенского государственного университета и РГУИТП, а также на ряде конференций и симпозиумов, в том числе на X и XI международных студенческих школах-семинарах «Новые информационные технологии», Судак, МИИЭТ, 2002, 2003 гг.; международных конференциях «Измерения - 2002», «Измерения -2004», Пенза, международных симпозиумах «Надежность и качество», Пенза (2002, 2003, 2004, 2006 гг.); II Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде МАТЬАВ», Москва, ИПУ РАН, 2004 г.; Международной научно-технической конференции «Датчик - 2004», Москва, МИЭТ.

Оригинальность технических решений подтверждена патентом на изобретение РФ

Публикации По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 15 статей, 1 статья в издании, рекомендованном ВАК, и 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 160 страницах Библиография - 102 наименования

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризовано состояние проблемы, сформулированы научная новизна, основные защищаемые положения, цели и задачи исследования

В первой главе проводится анализ состояния проблемы совершенствования средств измерения показателей качества электроэнергии в плане решения задач по двум основным направлениям — улуч-

шение метрологических и эксплуатационных характеристик. При этом основное внимание уделено алгоритмическим способам улучшения метрологических характеристик при измерении амплитудных и действующих значений напряжения (тока) и частоты. При определении ПКЭ почти всегда необходимо измерение действующего значения напряжения для обеспечения информационного и технологического обмена информацией между потребителями и системным оператором о среднеквадратическом значении напряжения и тока, и, как следствие, мощности Частота сетевого напряжения является весьма важным показателем эффективности функционирования всей электроэнергетической системы.

Все перечисленные величины представляют собой интегральные параметры, которые математически вычисляются посредством соответствующих функционалов, отображающих свойства функций (сигналов) в виде чисел Так, ДЗН переменного напряжения определяется формулой

где и(0 - функция изменения мгновенного значения напряжения; Ти - длительность интервала усреднения (время интегрирования), tQ - момент начала интегрирования.

Основным недостатком известных способов измерения ДЗН является зависимость результата измерения от неизвестного интервала усреднения Ти Очевидно, что при Ти, кратном половине периода Тс напряжения сети, погрешность будет равна нулю Однако частота сетевого напряжения во время измерения неизвестна, и при неточном задании времени усреднения Ти возникает погрешность измерения ДЗН, которая в практическом диапазоне изменения частоты 5у сетевого напряжения может быть оценена как

О)

Проведено исследование наиболее известных способов определения ДЗН электрической сети, а именно: на основе методов ступенчатой аппроксимации сетевого напряжения, методов весового усреднения, методов оценки по отсчетам двух мгновенных значений сетевого напряжения С/с при /(£<))= 0 и /(¿0 +Лг) и значений тока /с при

Показано, что недостатком первых двух способов является низкое быстродействие, а недостатком последнего - частотная погрешность фазосдвигающих блоков.

Проведено исследование способов определения активной, реактивной и полной мощностей известными классическими методами с помощью разложения периодических функций IIс (/) и 1С(() в ряд Фурье Показано, что на практике наиболее распространенными способами являются следующие:

1) способ Бауха для измерения мощности, в котором используется так называемый суммо-разностный метод реализации умножения, основанный на математическом преобразовании

2) способ логарифмирования и потенциирования, в котором используется формула

е(1пм+1ш) _и1 (4)

Указанные способы легко реализуются аппаратно и позволяют упростить выполнение операции умножения текущих значений напряжения и тока и, соответственно, уменьшить погрешность измерений за счет точного выполнения операции умножения.

Проведен анализ способов измерения частоты. Показана перспективность использования способа, реализующего методы весового усреднения, а также способа измерения частоты с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ)

£7с(/о+ДО=0.

(и+г)2 -(и-г)2 -4иг,

(3)

п=О

где Хк - дискретные отсчеты спектра, N - размер выборки, п - номер элемента в исходной последовательности; Ип - исходная последовательность; к — гармоника спектра Для реальных сигналов, равномерно дискретизированных и зарегистрированных на участке [~Ти12; ТиЩ, расстояние между отсчетами дискретного спектра рав-2%

но Аю = —

ДПФ обладает всеми свойствами преобразования Фурье, поэтому для него также справедлива теорема Винера-Хинчина, согласно которой спектральную плотность мощности можно определить как ДПФ от корреляционной функции сигнала.

Показано, что известный способ измерения частоты, основанный на заполнении периода импульсами опорной частоты, имеет невысокое быстродействие.

Во второй главе рассматриваются вопросы разработки и исследования способов измерения ДЗН

Предлагается универсальный метод, предусматривающий введение специальных временных задержек моментов измерения, суть которого заключается в следующем Дополнительно к известной операции интегрирования возведенного в квадрат сигнала, пропорционального текущему значению напряжения, который согласно формуле (1) будет равен

параллельно во времени осуществляют интегрирование возведенного в квадрат сигнала, задержанного на фиксированный интервал времени Дг, т. е

т

1и

(6)

Ч+Ти

(V)

При ¿o = 0 из выражений (6) и (7) следует 2 2

J\Vu) = cos(co Ти + 2<р); (8)

2 2(0

2 2

-—^~- — ~~^-sm(üTucos{(üTu +2©Д/! +2ср) (9) L ¿ш

На рис 1 приведены графики изменения функций J\(TU) и J 2 (Ти) в зависимости от текущего времени интегрирования при At =2 мс, которые построены для случая, когда Um = 100 В, частота питающей сети /с = 50 Гц, ф = 0° и íq = 10 мс

Моменты равенства (см. рис. 1) функциональных зависимостей J\ (Ти ) и J2 (Ти ) являются корнями уравнения

2sin cuAí sinюTu sin(co7^ + юАt + 2<p) = 0, (10)

которое имеет два типа корней:

- корни О-типа (однофакторные корни)1

ТиО=п~ (и = ±1, ±2, ±3,...), (11)

положение которых зависит только от значения периода Тс изменения измеряемого переменного напряжения нагрузки,

- корни М-типа (многофакторные корни):

ТиЫ =n^- + At-У-Тс (п = 0, ± 1, ± 2, ± 3,...), (12) 2 тс

которые зависят еще и от At и ф.

При Ти —Tuq интегральные значения сигналов описываемых функций J\{TU) и J2(Ти) , как следует из выражения (1), после их деления на Ти = Tuq и извлечения квадратного корня обеспечивают получение истинного значения измеряемого ДЗН

Рис 1 Графики изменения J\{TU) и /2(Ти) ПРИ Ф = 65°

Функциональная схема измерительного прибора для измерения ДЗН по данному алгоритму, выполненная средствами пакета визуально ориентированного программирования 8шш1тк (БштИпк-модель), показана на рис 2

При цифровой обработке текущие отсчеты аналого-цифрового преобразователя (АЦП) возводятся в квадрат (и2), далее поступают на накапливающий сумматор (HCl) и параллельно через линию задержки (JI3) на второй накапливающий сумматор НС2. Блок управления (БУ) осуществляет начальную установку HCl и НС2, а также включает счетчик (Сч), который измеряет длительность интервала измерения Цикл измерения, определяемый блоком сравнения (БС), заканчивается в четные моменты равенства накапливаемых сумм Результат измерения определяется путем деления накопленной в блоке HCl суммы на длительность цикла измерения и вычисления квадратного корня (блоки БД2 и sqrt) Дополнительно следует отметить, что рассматриваемый способ позволяет, разделив единицу на значение длительности цикла измерения, оценивать частоту сетевого напряжения.

Третья глава посвящена вопросам разработки и исследования способов измерения частоты сетевого напряжения, основанных на 1) методе весового усреднения; 2) использовании дискретного преобразования Фурье; 3) методе задержек, как универсальном способе, реализующем одновременное измерение ДЗН и частоты. При этом первый метод использован в качестве базового для сравнения с остальными.

Суть способа, реализующего алгоритм весового усреднения, заключается в получении результата измерения частоты по формуле

Nf=xYg(ti), (13)

г

где X - нормирующий множитель, обеспечивающий отсчет непосредственно в единицах частоты, gif) - некоторая весовая функция (ВФ), определяемая на интервале измерения [0,7^]; tt - моменты поступления импульсов измеряемой частоты, tr е [0, Ти ]. При измерении частоты моменты tt соответствуют переходам синусоидального напряжения через нуль.

Очевидно, что чем больше импульсов измеряемой частоты попадает в интервал измерения [о, Ти ], тем меньше погрешность. Кроме

того, эффективность рассматриваемого способа в значительной мере зависит от вида выбираемой весовой функции g(t).

Эффективность той или иной ВФ зависит от того, насколько сильно затухает соответствующая АЧХ в полосе задерживания, которая получается как модуль обратного преобразования Фурье от весовой функции, т е.

00

= {ё(0 е-7®' <Ь (14)

О

Проведено исследование свойств ВФ путем осуществления сравнительного анализа их АЧХ Показано, что при использовании усеченных весовых функций Гаусса соответствующие им АЧХ обеспечивают узкую полосу пропускания и затухание в полосе задерживания порядка 100 дБ; для весовых функций в виде В-сплайнов Шенберга огибающая АЧХ равномерно затухает по мере увеличения степени сплайна, а недостатком данных ВФ является широкая полоса пропускания; для атомарных весовых функций свойства АЧХ близки к ВФ в виде В-сплайнов Шёнберга, но показатели затухания хуже; для весовых функций в виде ядер сплайн-интерполирующих фильтров получаются худшие АЧХ по сравнению со всеми рассмотренными

Суть алгоритмов с использованием дискретного преобразования Фурье заключается в вычислении значения частоты по коэффициенту влияния гармоник, определяемого как отношение суммарной мощности гармоник сигнала (за исключением основной) к мощности основной гармоники сигнала Проведено исследование алгоритма для различных типов АЦП Подтверждено, что чем больше разрядность АЦП, тем меньше погрешность измерения

Измерениие частоты можно осуществлять параллельно с измерением действующего значения сетевого напряжения При этом реализуется способ измерения частоты по периоду Данный способ характеризуется высокой точностью измерения при условии, что на входе присутствует строго синусоидальный сигнал. 8шш1тк-модель функциональной схемы измерителя частоты, представленная на рис 3, построена на базе схемы измерителя ДЗН, приведенной на рис. 2, из которой удалены блоки измерения ДЗН

Ux/Fs

Out1 Out2 Ш ADC Func T

I* s* V -> u N -*> u2

EH

Step

1

Constant

1

n?

integ

1

Jl?

integl

Inl

Outl №2

Stop Simulation

»WstopJ

COMPARATOR

У"»S

Scope

j^j Productl Gain1 Display Fs

TT

HM

501

Рис 3 Функциональная схема измерителя частоты (8тш11пк -модель) Исследования показали, что при наличии отклонений формы входного напряжения от синусоидальной возникают существенные погрешности измерения частоты (табл 1).

Таблица 1

Абсолютные погрешности измерения частоты, Гц

Время измерения Фаза, град Измеряемая частота, Гц

49 49,5 50 50,5 51

Тх 0 -0,012 0,001 0 -0,028 -0,001

90 0,019 -0,001 0 0,003 0,001

тх/ 2 0 -4,64 -4,73 -4,83 -4,96 -5,09

90 -4,61 -4,66 -4,7 -4,73 -4,11

Данные получены для случая, когда входной сигнал представлен суммой первой и второй гармоник сетевого напряжения с амплитудами 400 и 50 В Для сравнения укажем, что в случае отсутствия второй гармоники погрешность измерения не превышает 0,0001 Гц Таким образом, рассмотренный способ дает возможность с высокой степенью точности измерять необходимое время интегрирования для определения ДЗН, но при этом измерение частоты первой гармоники осуществляется со значительными погрешностями Достоинством является то, что способ позволяет получать оценки значений перио-

дов и полупериодов входного сигнала инвариантно относительно начала момента измерения Используя данное свойство метода задержек в комбинации с методом весового усреднения, можно строить быстродействующие частотомеры, которые дают отсчеты непосредственно в значениях частоты. Пример схемной реализации такого способа измерения представлен ЗхтиЬпк-моделью на рис 4

Рис 4 Схема измерителя частоты по периоду с весовым усреднением (БшиНпк -модель)

В табл 2 приведены погрешности измерения частоты измерителя согласно рис 4 Из сравнения значений табл. 1 и 2 следует, что применение рассмотренного алгоритма позволяет повысить точность измерения.

Исследования показали, что рассмотренный способ измерения частоты особенно чувствителен к наличию четных гармоник во входном сигнале, но обладает лучшими характеристиками помехоустойчивости по сравнению с методом измерения по периоду.

Таблица 2

Оценки абсолютных погрешностей измерения частоты, Гц

Режим измерения Фаза, Измеряемая частота, Гц

град 49 49,5 50 50,5 51

На 1-й гармонике 0 0,088 0,047 0,003 0,047 0,081

с амплитудой 400 В 90 0,074 0,046 -0,001 0,042 0,074

С добавлением 2-й гармоники амплитудой 50 В 90 -0,51 -0,33 -0,52 -0,47 -0,43

С добавлением 3-й гармоники амплитудой 50 В 90 0,078 0,036 -0,01 0,036 0,075

Четвертая глава посвящена разработке измерителя интегральных параметров сетевого напряжения, включая организацию интерфейса аналогового ввода информации Разработанные алгоритмы измерения интегральных параметров напряжения можно разделить на связанные с измерением и обработкой мгновенных значений в цикле, равном половине периода сигнала напряжения и тока, и связанные с обработкой массива накопленных измеренных значений сигналов с целью усреднения полученных значений в интервале времени согласно ГОСТ 13109-97.

Для измерения ДЗН и частоты, описанных в главах 1, 2, 3, использовался 14-разрядный АЦП с частотой дискретизации 10 кГц с одним или двумя входными каналами для поддержания требуемого режима работы, совместимый с компьютером типа 1ВМ РС (модуль ШВ 3000).

Следует отметить, что при подключении АЦП к выходу трансформатора тока (ТТ) и трансформатора напряжения (ТН) необходимо применять дополнительный делитель напряжения (тока) во вторичной цепи ТН (ТТ)

При экспериментальных исследованиях применялся макетный образец, изготовленный по способу, изложенному в главе 2

Из результатов испытаний и расчетов следует

1. Реальный АЦП обеспечивает измерение лишь с точностью 8 двоичных разрядов.

2 Наблюдаемое значение критерия Пирсона для реальной случайной абсолютной погрешности составляет 10,3. Следовательно, с доверительной вероятностью 95 % можно считать, что рассматриваемая погрешность распределена по нормальному закону.

Результаты экспериментальных исследований, реализующих способ измерения ДЗН и частоты, представлены в табл. 3, где -

время задержки и N0 - время начала измерения, выраженные в значениях шага дискретизации АЦП; 5N17 - вектор значений относительной погрешности измерения ДЗН, %; А/ - вектор значений абсолютной погрешности измерения частоты, Гц. Как следует из полученных результатов, необходимо уделять внимание рациональному выбору времени задержки, применять специальные адаптивные ал-

горитмы вычислений, предусматривающие подбор А/^ Приведенное в табл 3 оптимальное значение - 40 получено путем подбора в диалоговом режиме.

Из данных табл. 3 следует, что погрешность измерений ДЗН зависит от момента начала измерений tQ (см формулу (7)), что не было выявлено ранее при теоретических исследованиях Приведенные данные показывают, что достаточно часто встречаются точки ¿о, в которых погрешность измерений скачкообразно возрастает, достигая значений порядка 5 % Причина этого явления заключается в сложности выявления точки пересечения накапливаемых интегралов (рис 5). Для устранения указанного недостатка предложено формирование и сравнение трех интегральных значений типа (6) и (7), сдвинутых на различные времена задержки (см. рис 5)

Таблица 3

Экспериментальные погрешности измерений

1? * = 25 = 40

Я0га 5Шт = ^т = = бОТт мю =

5 0 063 0 031 5 Об 0 66

10 0 076 0 071 10 39 49

15 0 22 28 15 0 061 0 011

20 0 073 0 018 20 0 069 0 024

25 0 08 0 028 25 0 086 0 021

30 0 069 0 022 30 -0 894 12

35 0 078 0 062 35 0 084 0 03

40 0 093 32 40 0 077 0 023

45 0 087 0 034 45 0 073 0 018

50 0 083 0 031 50 0 077 0 024

Разработанный экспериментальный образец измерителя характеризуется наличием систематической мультипликативной погрешности, в среднем примерно равной 0,07 % Исключить указанную погрешность достаточно просто путем умножения результатов на соответствующий постоянный поправочный коэффициент (в данном слу-

чае равный 0,9993005). С учетом поправки погрешность измерений может быть уменьшена до 0,02 %.

too т т т т т

О)

зс ж 10

°0 QG05 0.01 0015 0.02 0.025 0,03

t, с

Рис. 5. Точка пересечения накопленных интегралов в районе Ти = 20 мс

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате анализа существующих способов измерений параметров сетевого напряжения разработаны способы измерения действующих значений сетевого напряжения и частоты, ориентированные на программные и аппаратные средства персональных ЭВМ, отличающиеся тем, что возведенное в квадрат текущее значение напряжения задерживают на различные фиксированные интервалы времени, осуществляют их интегрирование, а интервал интегрирования (частоту) определяют по моментам равенства трех значений результатов интегрирования. После извлечения квадратного корня и деления интегрального значения на интервал измерения находят ДЗН сетевого напряжения.

2. В результате проведенных исследований разработаны новые алгоритмы измерения ДЗН, исследования которых подтвердили возможность измерения ДЗН и частоты с погрешностью, равной 0,02 %; расширены функциональные возможности измерителя ДЗН, так как

"".......".....!.....~.................\.................

• - ЕШ ■•• t...........

¿¡Jy

/ ff :

! »........¡

параллельно вычисляются значения периода колебаний сетевого напряжения (частоты).

3. Разработаны алгоритмы сравнительно просто реализуемой коррекции аналого-частотной характеристики, входного аналогового тракта измерительного преобразования.

4 Проведено исследование характеристик способа цифрового измерения частоты сетевого напряжения, обеспечивающего повышение точности за счет комбинирования методов весового усреднения и методов задержек. Даны рекомендации по рациональному выбору весовых функций

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кудашов, А. В. Способ измерения действующего значения напряжения для виртуальных приборов / А. В. Кудашов // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. «Технические науки». - 2007. - № 1(19). - С. 185-188.

Публикации в других изданиях

2 Кудашов, А. В. Эффективные алгоритмы для виртуальных систем контроля частототы электрических сетей / А. В Кудашов// Сборник научных трудов Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза : Инф.-изд центр ЛГУ, 2002 - С 443.

3. Кудашов, А. В Использование системы MathCAD для имитационного статистического моделирования цифровых частотомеров с весовым усреднением / А. В Кудашов // Сборник научных трудов X Международной студенческой школы-семинара «Новые информационные технологии» - Судак : МИИЭТ, 2002. - С. 123-125.

4. Кудашов, А В Способ измерения активной мощности для виртуальных приборов / А. В. Кудашов, В. Д Михотин, В И Чернецов // Сборник докладов Международной конференции «Измерения - 2002». - Пенза : Инф.-изд центр ПГУ, 2002 - С 12-13.

5 Кудашов, А В. Новый способ измерения активной мощности для виртуальных приборов / А В Кудашов // Сборник научных трудов XI Международной студенческой школы-семинара «Новые информационные технологии». - Судак МИИЭТ, 2003. - С. 123-125

6. Кудашов, А. В. Применение топологического метода для анализа погрешностей чувствительности измерительных цепей / А В. Кудашов, С Н Медведева, М, В Чернецов // Сборник научных трудов Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза • Инф -изд. центр ПГУ, 2003. - С. 221-222.

7 Способ измерения активной мощности для систем оценки показателей качества электроэнергии / А В Кудашов, В. Д. Михотин, В И Чернецов, А А Арефьев // Сборник научных трудов Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза : Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - С. 428-429

8. Кудашов, А. В. Новый способ измерения действующего значения напряжения для систем оценки показателей качества электроэнергии / А. В Кудашов, В Д Михотин, В И Чернецов // Сборник материалов научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», «Датчик-2004» - М МГИЭМ, 2004 - С. 75

9 Кудашов, А В. Моделирование АЦП для измерений показателей качества электроэнергии / А В. Кудашов, В. И Чернецов // Труды II Всероссийской научной конференции. - М . ИТТУ РАН, 2004 -С. 19 -(CD-версияISBN 5-201-14971-5).

10 Кудашов, А. В Способ измерения частоты сетевого напряжения для виртуальных приборов / А. В. Кудашов // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электроэнергии сб. науч. тр. Вып. 2. - Пенза : Инф.-изд. центр ПГУ, 2004-С.146-150.

11. Кудашов, А. В. Способ измерения действующего значения напряжения для систем оценки показателей качества электроэнергии / А В. Кудашов // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электроэнергии . сб. науч тр. Вып 2. - Пенза : Инф.-изд. центр ПГ У, 2004 - С 80-84.

12. Кудашов, А В. Моделирование средствами пакета Simulink виртуальных приборов для измерения действующего значения напряжения /А В. Кудашов, В Д. Михотин // Сборник докладов Международной конференции «Измерения - 2004». - Пенза : Инф -изд центр ПГУ, 2004.-С 22-23

13. Кудашов, А. В Моделирование в среде МАТЪАВ виртуальных приборов для измерения активной мощности / А В Кудашов // Сборник научных трудов Международного симпозиума «Надежность и качество» - Пенза : Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - С 255-256

14. МАТЪАВ в учебных курсах по исследованию переходных процессов в электроэнергетических системах / А. В. Кудашов, С Н Медведева, В. Д. Михотин, С. П. Пискарев // Труды II Всероссийской научной конференции. - М. ИПУ РАН, 2.004 - С 19 - (СБ-версия геВИ 5-201-14971-6)

15. Кудашов, А. В Способ измерения действующего значения напряжения для виртуальных приборов / А. В Кудашов // Сборник научных трудов международного симпозиума «Надежность и качество».-Пенза Инф-изд. центр ПГУ -2006 -Т. 1 -С 398-399

16. Кудашов, А. В. Совершенствование средств измерений интегральных параметров для оценки показателей качества электроэнергии / А. В. Кудашов, В Д. Михотин, В И Чернецов // Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии сб. науч. тр Вып. 3 - Пенза . Инф.-изд центр ПГУ, 2007.-С 84-94.

17. Пат 2298194 Российская Федерация, МКИ вОШ 19/02. Способ измерения действующего значения напряжения в электрических цепях переменного тока // А В. Кудашов, В Д. Михотин, В. И. Чернецов. - №2006108101/28 ; заявл. 15 03 2006, опубл 27.04.2006. Бюл № 12.

КУДАШОВ Александр Викторович

Измеритель параметров сетевого напряжения

Специальность 05 11 01 - Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

Редактор Е П Мухина Технический редактор Н А Вьялкова

Корректор С Н Сухова Компьютерная верстка М Б Жучковой

ИД №06494 от 26 12 01 Сдано в производство 28 11 2007 Формат 60х841/16 Бумага писчая Печать офсетная Уел печ л 1,16 Заказ № 667 Тираж 100

Издательство Пензенского государственного университета 440026, Пенза, Красная, 40

Список сокращений и аббревиатур.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

1.1. Общие сведения.

1.2. Анализ алгоритмов измерения ДЗН.

1.3. Способы и алгоритмы измерения мощности.

1.4. Способы и алгоритмы измерения частоты.

Выводы по 1-й главе.

2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЗНАЧЕНИЙ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

2.1. Общие сведения.

2.2. Способ измерения ДЗН методом задержек.

2.3. Модификации метода задержек для измерения ДЗН.

2.4. Коррекция погрешностей случайного срабатывания блока сравнения.

2.5. Метод коррекции нелинейности АЧХ измерителя ДЗН.

Выводы по 2-й главе.

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ

И АЛГОРИТМОВ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ СЕТЕВОГО

НАПРЯЖЕНИЯ.

3.1. Общие сведения.

3.2. Способы и алгоритмы, реализующие метод весового усреднения

3.2.1. Описание алгоритма.

3.2.2. Весовые функции, используемые для измерения частоты

3.3. Алгоритмы с использованием дискретного преобразования Фурье.

3.4. Алгоритмы, реализующие метод задержек. 85 Выводы по 3-й главе.

4. РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ СЕТЕВОГО

НАПРЯЖЕНИЯ.

4.1. Общие замечания.

4.2. Организация аналогового интерфейса ввода-вывода.

4.3. Разработка требований к составу и параметрам технических средств.

4.4. Разработка программного обеспечения измерителя ГЖЭ

4.4.1. Общие сведения.

4.4.2. Программное обеспечение измерителя ПКЭ.

4.5. Алгоритмы цифровой обработки информации.

4.5.1. Способы цифровой фильтрации.

4.5.2. Выбор заградительных фильтров.

4.6. Оценки погрешностей измерений.

4.7. Экспериментальные исследования разработанной системы

Выводы по 4-й главе.

В настоящее время все большее внимание уделяется повышению точности измерения в области электроэнергетики. Это объясняется тем, что электроэнергия с одной стороны сама по себе является товарной продукцией, а значит, должна удовлетворять всем требованиям по качеству на эту продукцию, с другой стороны она является участником технологического процесса проявления других видов товарной продукции, т. е. составляет существенную часть ее стоимости и влияет на качество этой продукции. Все это объясняет важную роль обеспечения требований по метрологии при производстве товара, передаче и использовании электроэнергии. Соответственно, существенное внимание уделяется так же и проблемам электромагнитной совместимости (ЭМС) электроэнергетического оборудования и технологических процессов с целью обеспечения показателей качества электроэнергии (ПКЭ). Отметим, что в соответствии с Федеральным Законом № 184-ФЗ все расчеты за электроэнергию входят в сферу государственного метрологического контроля и надзора.

Состояние проблемы Определяемая в настоящей работе область исследований обусловливается тем, что в настоящее время все большее внимание уделяется проблемам измерения параметров сетевого напряжения в точках общего присоединения [29], тем более, что круг потребителей данного товара1 очень широк: от физических лиц до крупнейших промышленных предприятий и целых отраслей.

Специфика организации и проведения измерений требует единого системного подхода к рассмотрению всего процесса измерения, учета влияния всех его элементов, участвующих в измерении, начиная с масштабных преобразователей (трансформаторов напряжения, тока, делителей напряжения и т. п.), восприни

1 В соответствии со статьей 7 Закона Российской Федерации от 13 августа 1997 г. № 1013 утвержден «Перечень товаров, подлежащих обязательной сертификации», в который занесена и электрическая энергия. Таким образом, «качество» как важный параметр торговой продукции стал для электроэнергии определяющим. мающих измеряемые величины, и заканчивая устройствами обработки и представления информации. В целом, с целью обобщения проблемы создания рассматриваемого класса информационно-измерительных устройств, можно сформулировать как задачу построения СИ, реализующих линейные функционалы вида [58, 75, 92] Т о где Х{1) - сигнал на входе измерительной системы, который несет информацию об измеряемой величине; 6(7) - некоторая финитная весовая функция (ВФ), на интервале измерения [О, Г].

Важно подчеркнуть, что поставленная задача связана с нахождением значений некоторых интегралов [75], так как «.интегрирование дает общий метод измерения физических величин, представляет собой абстрактное выражение разнообразнейших способов измерений» (В. И. Гливенко). «Интегрированное представление наилучшим образом соответствует способам описания физических величин» (А. Лебег). При этом подобная форма функционала, как отображения функции Х(/) в число, наиболее удобна и применяется на практике даже в тех случаях, когда содержит обобщенные ВФ.

При измерениях в электроэнергетике в качестве могут выступать функции изменения различных величин: напряжений, токов, квадратов напряжений, текущей мощности и т. п.

Рассматривая проблему с точки зрения практики, отметим, что, требования к качеству электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения регламентируются целым рядом национальных и международных нормативных документов [3.6, 29, 34, 35, 37.39]. Так ГОСТ 13109-97 [29] устанавливает следующие основные показатели качества:

1. Установившееся отклонение напряжения.

2. Размах изменения напряжения.

3. Доза фликера.

4. Длительность провала напряжения.

5. Коэффициент искажения синусоидальности.

6. Коэффициент п-й гармонической составляющей.

7. Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности.

8. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

9. Импульсное напряжение.

10. Коэффициент временного перенапряжения.

11. Отклонение частоты.

Обязательной сертификации из 11 параметров подлежат только шесть -1,5, 6, 7, 8, 11. Однако из-за отсутствия доступных для практического и повседневного использования СИ по «Временному порядку сертификации электрической энергии» в настоящее время сертификация электроэнергии ведется, к сожалению, всего по двум параметрам: провалам напряжения и частоте. Такое положение, очевидно, не решает проблем электромагнитной совместимости потребителей электроэнергии (ЭЭ) как между собой, так и со снабжающей организацией, проблем торговли электроэнергией с зарубежными и внутренними потребителями, а также проблем обоснования юридических претензий по качеству ЭЭ.

В настоящей работе главным образом рассматриваются вопросы измерения следующих основных измеряемых величин: действующих значений напряжений (токов), а также частоты. Такой выбор сделан исходя из следующих соображений.

Во-первых, проблемы измерения ПКЭ, главным образом, непосредственно связанны с измерениями напряжений. Это вполне согласуется с перечнем измеряемых величин и требований, предъявляемых к средствам измерений ПКЭ согласно ГОСТ.

Во-вторых, в связи с принятием пакета законов по реформированию электроэнергетики каждый производитель и потребитель электроэнергии для присоединения к торговой системе сетевого рынка берет на себя определенные договорные обязательства. Одной из составных частей этих обязательств является выполнение требований к информационному обмену технологической информацией с автоматизированной системой системного оператора. При этом по каждому присоединению в обязательном порядке системному оператору должны передаваться следующие электрические параметры: среднеквадратические значения напряжения и тока; активной мощности как для каждой фазы, так и суммарные; реактивные мощности для каждой фазы [51].

В-третьих, в рассматриваемый список необходимо включить и такую измеряемую величину, как частота сетевого напряжения - важнейший параметр, который характеризует не только качество электроэнергии, но и определяет эффективность функционирования всей электроэнергетической системы страны.

Рассматриваемым вопросам традиционно уделялось большое внимание как специалистами в области ИИТ, так и специалистами-электроэнергетиками. Большой вклад в развитие теории и практики построения соответствующих средств измерений внесли коллективы отечественных ученых, руководимые в разное время: В. Ф. Бахмутским, В. А. Вениковым, И. М. Вишенчуком, И. В. Жежеленко, Ю. С. Железко, К. Л. Куликовским, В. Н. Малиновским, А. И. Мартяшиным, А. М. Мелик-Шахназаровым, Б. Я. Швецким, Г. П. Шлыковым, В. М. Шляндиным, Г. А. Штамбергером и др.

Вместе с тем до настоящего времени существует целый ряд задач как теоретического, так и прикладного характера, которые требуют проведения соответствующих исследований и поиска эффективных технических решений по созданию СИ параметров сетевого напряжения.

Основание для проведения работы. Работа выполнена в соответствии с планами проведения и реализации г/б и х/д НИР Пензенского государственного университета и Пензенского регионального центра высшей школы (филиала) Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (ПРЦВШ(ф) РГУИТП) по заказам ряда промышленных предприятий и организаций РФ.

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, диктуется следующими обстоятельствами.

Во-первых, в настоящее время существует настоятельная потребность рынка в средствах измерения с целью энергоаудита и сертификации качества электрической энергии, разрешения вопросов электромагнитной совместимости энергопотребителей, анализа и учета влияния источников электромагнитных помех и. повышения в итоге надежности и качества работы энергосистемы в целом.

Во-вторых, существующие средства измерений показателей качества электроэнергии (ГЖЭ) не всегда обеспечивают оценку всех ГПСЭ, согласно требований ГОСТ, и, как правило, представляют собой сложные дорогостоящие и неудобные в эксплуатации изделия.

В-третьих, потребностью в разработке простых и быстродействующих алгоритмов обработки исходной информации для оценки ПКЭ, что в свою очередь ведет к улучшению метрологических и эксплуатационных характеристик СИ.

Предмет исследований.

1. Способы и алгоритмы измерения параметров сетевого напряжения, обеспечивающие повышение быстродействия и улучшение метрологических характеристик СИ.

2. Математические модели преобразователей и измерительных приборов для оценки ПКЭ, согласно разработанным способам измерения параметров напряжения, их исследование для определения методических погрешностей.

3. Современное аппаратно-алгоритмическое и математическое обеспечение задач контроля электроэнергетических характеристик сетевого напряжения и ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97 и определение путей построения измерительных приборов на базе персональных компьютеров.

Методы исследований включают в себя: методы математического анализа, линейной алгебры, теории непрерывных и импульсных систем, систем автоматического регулирования, численные методы математики, статистики и цифровой фильтрации, методы имитационного моделирования на ЭВМ и методы теории планирования экспериментов. Теоретические исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD и пакетов Simulink\ Power System Blockset.

Цель работы - разработка и исследование способов измерения действующего значения напряжения, тока, частоты; создание математического и программно-аппаратного обеспечения процессов обработки измерительной информации; исследование и апробация найденных решений.

В соответствии с этим решаются следующие основные задачи:

- определение перспективных путей совершенствования средств измерения напряжения, тока и частоты сети на базе современных информационных технологий и аппаратных средств, разработка на этой основе способов и алгоритмов измерения, структурных и функциональных схем, а также исследование влияния основных элементов СИ и устройств мониторингового контроля таких показателей качества электроэнергии, как действующее значение напряжения (ДЗН), тока и частоты;

- разработка имитационных моделей СИ и аналитическое исследование методических погрешностей измерения, исследование на ЭВМ эффективности алгоритмов измерения параметров сетевого напряжения и показателей качества электроэнергии при различных отклонениях параметров напряжения;

- апробация разработанных способов, алгоритмов измерения и методик обработки измерительной информации; практическое применение в хоздоговорных

1 научно-исследовательских работах и в учебном процессе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен способ измерения действующего значения напряжения для оценки показателей качества электроэнергии, отличающийся тем, что возведенное в квадрат напряжение задерживают на два различных фиксированных интервала времени, осуществляют их интегрирование, а интервал интегрирования определяют по моментам равенства трех значений результатов интегрирования, при этом результат измерения определяют по полученным интегральным значениям.

2. Разработаны алгоритмы измерения частоты сетевого напряжения, адаптированные для применения в измерителях на базе персональных компьютеров. и

3. Разработаны математические модели измерителей показателей напряжения сети; адекватность моделей подтверждена результатами имитационного статистического моделирования на ЭВМ.

На защиту выносятся:

1. Способ измерения действующего значения напряжения сети, отличающийся тем, что возведенное в квадрат напряжение задерживают на два различных фиксированных интервала времени, осуществляют их интегрирование, а интервал интегрирования определяют по моментам равенства трех значений результатов интегрирования, при этом результат измерения определяют по полученным интегральным значениям.

2. Обоснование структурной схемы измерителя показателей качества электроэнергии на базе персональных компьютеров.

3. Анализ методических погрешностей измерений предложенного способа и синтез математических моделей измерителя, учитывающих влияние случайных и динамических погрешностей на основе методов моделирования с использованием пакета Simulink\Power Systems Blockset, входящего в состав программы MATLAB и программы MathCAD.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке программно-аппаратной части измерительного преобразователя для измерения параметров сетевого напряжения, разработке методик и MathCAD, и Simulink-программ имитационного статистического моделирования алгоритмов обработки информации для исследования метрологических характеристик измерительных приборов и систем. Представленные в работе результаты информационного поиска, а также методики и программы позволяют решать практически весь комплекс задач по проектированию алгоритмов приборов и систем для измерения и контроля ПКЭ, в том числе связанных с измерением установившегося отклонения напряжения, среднеквадратичного значения напряжения, среднеквадратичного значения тока, частоты напряжения, t Реализация и внедрение. Диссертация представляет собой обобщение хоздоговорных и научно-исследовательских работ, в выполнении которых автор принимал участие в Пензенском государственном университете и Пензенском филиале Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства (РГУИТП). В данных НИР решались методологические и технические вопросы проектирования виртуальных приборов и систем на базе персональных компьютеров для измерения и контроля показателей качества электроэнергии по установившемуся отклонению напряжения, среднеквадратичному значению напряжения, среднеквадратичному значению тока, частоте напряжения.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в виде методик, математических моделей, программ и макетного образца измерителя в подразделениях ЗАО «Энергосервис», ООО «Вектор», ООО «ДИО», ООО НЛП «Электроэнергетика», а также используются на кафедрах Пензенского государственного университета и подразделениях Пензенского филиала РГУИТП при выполнении хоздоговорных НИР и в учебном процессе.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами в Приложении 2.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТС Пензенского государственного университета и РГУИТП, а также на ряде конференций и симпозиумов:

- X и XI Международные студенческие школы-семинары "Новые информационные технологии". - Судак : МИИЭТ, 2002,2003 гг.

- Международные конференции. "Измерения - 2002", "Измерения - 2004". -Пенза;

- Международные симпозиумы "Надежность и качество". - Пенза (2002, 2003, 2004,2006 гг.);

- II Всероссийская научная конференция «Проектирование научных и инженерных приложений в среде МАТЬАВ». - М.: ИЛУ РАН, 2004;

- Международная научно техническая конференция «Датчик - 2004». - М., МИЭТ.

Оригинальность технических решений подтверждена патентом РФ [50].

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе: 13 статей, 3 тезисов докладов и 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 182 страницах. Библиография - 102 наименования.

Выводы по 4-й главе

1. Разработана обобщенная структурная схема измерителя интегральных значений сетевого напряжения, которая может быть использована для определения показателей качества электроэнергии.

2. Разработана функциональная схема и изготовлен макетный образец ИПН, на базе которого проведены экспериментальные исследования, подтвердившие результаты, полученные методами аналитических исследований и имитационного моделирования на ЭВМ.

3. Решены вопросы разработки требуемого математического обеспечения измерителя ИПН; даны рекомендации по выбору цифровых заградительных фильтров; рассчитаны поправочные коэффициенты для коррекции погрешностей.

4. Разработано необходимое программное обеспечение, включая: драйверы ввода информации по каналу USB 3000, программы организации файловой системы и нормирования данных, программы обработки данных для организации вычислений согласно предложенным алгоритмам косвенных измерений ДЗН мощности и частоты.

5. Проведены экспериментальные исследования макетного образца измерителя ИПН; изучены свойства случайных погрешностей измерительных каналов; показано, что измерительные каналы на базе USB 3000 характеризуются высоким уровнем шумов с нормальным распределением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований в работе были получены следующие основные результаты.

1. В результате анализа существующих способов измерений параметров сетевого напряжения разработаны способы измерения действующих значений сетевого напряжения и частоты, ориентированные на программные и аппаратные средства персональных ЭВМ, отличающиеся тем, что возведенное в квадрат текущее значение напряжения задерживают на различные фиксированные интервалы времени, осуществляют их интегрирование, а интервал интегрирования (частоту) определяют по моментам равенства трех значений результатов интегрирования. После извлечения квадратного корня и деления интегрального значения на интервал измерения находят ДЗН сетевого напряжения.

2. В результате проведенных исследований разработаны новые алгоритмы измерения ДЗН, исследования которых подтвердили возможность измерения ДЗН и частоты с погрешностью, равной 0,02 %; расширены функциональные возможности измерителя ДЗН, так как параллельно вычисляются значения периода колебаний сетевого напряжения (частоты).

3. Разработаны алгоритмы сравнительно просто реализуемой коррекции аналого-частотной характеристики, входного аналогового тракта измерительного преобразования.

4. Проведено исследование характеристик способа цифрового измерения частоты сетевого напряжения, обеспечивающего повышение точности за счет комбинирования методов весового усреднения и методов задержек. Даны рекомендации по рациональному выбору весовых функций.

5. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе 15 статей, 1 статья в издании рекомендованном ВАК. Оригинальность технических решений подтверждена патентом на изобретение Российской Федерации.

1. Bauch R. Hitzdrant Wattmeters. - ETZ, 24, 1905

2. Crochiere R. E., Rabiner L. R. (1975) Optimum FIR digital filter implementations for decimation, interpolation, and narrow-band filtering. IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, 23(5).

3. Ebbige W. Part 1 Definitions and Standards CENELEC, Electronic components and applications, Vol.2, № 1,1979, p. 49-52.

4. EN 50006 CENELEC recommendations for power quality.

5. EN 50160 Стандарт Евросоюза на качество электроэнергии.

6. Evers H.W. Part 3 Voltage fluctuation and flicker, - Electronic components and applications, Vol.2, № 3,1980, p. 143-149.

7. Horowitz P., Hill W. Laboratory Manual for The Art of Electronics. London: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 1981, - 816 p.

8. MathCAD 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95- М.: Филинъ, 1996. 686 с.

9. USB 3000 Универсальный скоростной АЦП/ЦАП/ логический анализатор на шину USB 2.0. Руководство пользователя и программиста. Rev. A, Dec, 2004.

10. A. c. 1195271 (СССР) Способ цифрового измерения частоты следования импульсов// В. Д. Михотин, И. Ю. Семочкина, Л. Н. Фирстов, В. А. Юрма-нов. Опубл. в БИ, 1985, № 26.

11. А. с. 1239618 (СССР) Способ измерения частоты следования импульсов за фиксированный интервал времени// В. Д. Михотин и др. Опубл. в БИ, 1986, №23.

12. Анализ электрических цепей методом сигнальных графов: Учеб. пособие // Под ред. В. И. Чернецова. Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. - 114 с.

13. Ануфриев, И. Е. МАТЪАВ 7. /И. Е. Ануфриев, А. Б. Смирнов, Е. Н. Смирнов М.: ООО «Эликтан», - 2005, 756 с.

14. Аррилага, Дж. Гармоники в электрических системах / Дж. Аррилага. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 319 с.

15. Атабеков, Г. И. Теоретические основы электротехники / Г. И. Атабе-ков.-М.: Энергия, 1970.

16. Балакай, В. Г. Интегральные схемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей / В. Г. Балакай, И. П. Крюк, Л. М. Лукьянов; под ред. Л. М. Лукьянова. М.: Энергоатомиздат, 1988.

17. Бахмутский, В. Ф. Оптоэлектроника в измерительной технике / В. Ф. Бахмутский, Н. И. Гореликов, Ю. Н. Кузин. М.: Машиностроение, 1979. -152 с.

18. Бессекерский, В. А. Цифровые автоматические системы / В. А. Бес-секрский. М.: Наука, 1976. - 576 с.

19. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов. М.: Высш. шк. - 1973. - 752 с.

20. Недифференцируемый импульс с более узким спектром, чем у сходного дифференцируемого импульса / Л. П. Болджано, И. Э. Абдоу, Ф. Ч. Уофорд, Ф. Дж. Амблард. ТИИЭР. - 1985. - т. 73. - № 1. - С. 170.

21. Большев, Л. Н. Таблицы математической статистики / Н. В. Смирнов, Л. Н. Большев. М.: Наука, 1965. - 420 с.

22. Воевода, А. И. Новые особенности автоматической частотной разгрузки энергосистем в современных условиях / А. И. Воевода и др.. Энергетика и электрификация, 2000. - № 8. - С. 27-32.

23. Волгин, Л. И. Основы метрологии, оценка погрешностей измерений, измерительные преобразователи / Л. И. Волгин. М.: МГУС, 2002. - 129 с.

24. Герман-Галкин, С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАВ 6.0 / С. Г. Герман-Галкин // учеб. пособие. СПб. : КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

25. Герман, И. Электротехника. Том. IV, Получение и распределение электрической энергии / И. Германн. -М.: Гостехиздат, 1928. 216 с.

26. Голышевский, О. А. Методы статистической обработки данных / О. А. Голышевский, В. Д. Михотин, Б. В. Чувыкин. Пенза : Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1995. - 17 с.

27. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск : Изд-во Межгосстандарт, 1997. — 30 с.

28. ГОСТ 14014-82. Приборы и преобразователи измерительные напряжения, тока, сопротивления. М.: Изд-во стандартов, 1982.

29. ГОСТ 20.57.406-81. Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1981.

30. ГОСТ 23222-78 ГСИ. Нормируемые метрологические и точностные характеристики. М.: Изд-во стандартов, 1982.

31. ГОСТ 23222-88. Характеристики точности выполнения предписанной функции средств автоматизации. Требования к нормированию. Общие методы контроля. М.: Изд-во стандартов, 1988.

32. ГОСТ 30372-95. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения.

33. ГОСТ 30376-95. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к динамическим изменениям напряжения сети электропитания. Технические требования и методы испытаний.

34. ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. М.: Изд-во стандартов, 1984. - 18 с.

35. ГОСТ Р 30377.-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения показателей качества электрической энергии. Общие технические условия.

36. ГОСТ Р 51317.3.8-99 (МЭК 61000-3-8-97). Совместимость технических средств электромагнитная. Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям. Уровни сигналов, полосы частот и нормы электромагнитных помех.

37. Граф, П. 1200 схем / П. Граф. М.: Мир, 1989. - 918 с.

38. Гук, М. Аппаратные средства IBM-PC : энциклопедия / М. Гук. -СПб.: Питер, 2000. 815 с.

39. Гутников, В. С. Измерительная электроника в измерительных устройствах / В. С. Гутников. JI.: Энергия, 1980. - 248 с.

40. Двайт, Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы / Г. Б. Двайт. М.: Гос. изд-во иностранной литературы. 1948. - 257с.

41. Дьяков, А. Ф. Основа устойчивой работы ЕЭС России отечественное оборудование и новейшие технологии / А. Ф. Дьяков. - Энергетик, № 3. - 2001. -С. 5-7.

42. Дьяконов, В. П. MATLAB 6.5 SP17 Simulink 5.6 в математике и моделировании / В. П. Дьяконов. М.: ООО «Эликтан», 2005.

43. Дьяконов, В. П. MATLAB 5.3.1 с пакетами расширений / В. П. Дьяконов, И. В. Абраменкова, В. В. Круглов. М.: Нолидж, 2001.

44. Ермилов, А. А. Основы электроснабжения промышленных предприятий / А. А. Ермилов. М.: Энергия, 1976. - 368 с.

45. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий №9 -е изд. / И. В. Жежеленко. М.: Энергоатомиз-дат, 1994.

46. Патент РФ № 2298194 Способ измерения действующего значения напряжения в электрических цепях переменного тока // А. В. Кудашов, В. Д. Михотин, В. И. Чернецов (заявка № 2006108101, приоритет изобретения 15.03.2007 г.)

47. Иванов Ю. М. Построение информационно-измерительных систем электрических параметров энергообъектов на основе измерительно-модулирующих технологий. автореф. канд техн. наук. - Самара. - 2005. - 19 с.

48. Измерения в промышленности : справ, изд. // Под ред. П. Профоса. -М.: Металлургия, 1980. 648 с.

49. Исследование электрических цепей в системе ELECTRONICS WORKBANCH. Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - 73 с.

50. Кавалеров, Г. И. Информационно-вычислительные комплексы / Г. И. Кавалеров // Приборы и системы управления. 1977. - № 11. - С. 23-27.

51. Камке, Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям / Э. Камке. М.: Наука. 1971. - 576 с.

52. Кетков Ю. JI. MATLAB 7 программирование численные методы / Ю. JI. Кетков, А. Ю. Кетков, М. М. Щульц. М.: ООО «Эликтан», 2005.

53. Кнорринг, В. Г. О механизме работы измерительных преобразователей с частотным выходом / В. Г. Кнорринг. Измерительная техника, 1966, № 8. -С. 8-9.

54. Корн, Г. А. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. А. Корн, Т. М. Корн. М.: Наука, 1974. - 832 с.

55. Краус М., Измерительные информационные системы / М. Краус, Э. Вошни. М.: Мир. 1975. - 172 с.

56. Кудашев, А. В. Моделирование средствами пакета Simulink виртуальных приборов для измерения действующего значения напряжения / А. В. Кудашев, В. Д. Михотин // Сб. докл. междунар. конф. "Измерения-2004". Пенза : Пенз. гос. ун-т, 2004. - С. 22-23.

57. Кудашов, А. В. Моделирование в среде MATLAB виртуальных приборов для измерения активной мощности / А. В. Кудашов // Сб. докл. междунар. симпозиума "Надежность и качество". Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2003. - С. 454.

58. Кудашов, А. В. Новый способ измерения активной мощности для виртуальных приборов / А. В. Кудашов // Сб. докл. XI междунар. студ. школы-семинара "Новые информационные технологии". Судак: МИИЭТ, 2003. - С. 123-125.

59. Кудашов, А. В. Способ измерения действующего значения напряжения / А. В. Кудашов // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество». Пенза : Изд-во ПТУ, 2006. - С. 398-399.

60. Кудашов, А. В. Способ измерения частоты сетевого напряжения для виртуальных приборов / А. В. Кудашов // Сб. науч. тр. «Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии». Пенза : Инф.-изд. центр ПТУ, 2004. - С. 146-151.

61. Кудашов, А. В. Эффективные алгоритмы для виртуальных систем контроля частототы электрических сетей / А. В. Кудашов // Сб. докл. междунар. симп. "Надежность и качество". Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2002. - С. 443.

62. Кудашов, А. В. Эффективные алгоритмы для виртуальных систем контроля частототы электрических сетей / А. В. Кудашов // Сб. докл. междунар. симп. "Надежность и качество". Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2002. - С. 443.

63. MATLAB в учебных курсах по исследованию переходных процессов в электроэнергетических системах / А. В. Кудашов, С. Н. Медведева, В. Д. Михо-тин, С. П. Пискарев // Тр. II Всерос. науч. конф. М. : ИПУ РАН. - С. 19 (CD-версия ISBN 5-201-14971-5).

64. Кудашов, А. В. Способ измерения активной мощности для виртуальных приборов / А. В. Кудашов, В. Д. Михотин, В. И. Чернецов // Сб. докл. между-нар. конф. "Измерения 2002". - Пенза : Пенз. гос. ун-т, 2002. - С. 12-13.

65. Кудашов, А. В., Моделирование АЦП для измерений показателей качества электроэнергии / А. В. Кудашов, В. И. Чернецов // Тр. II Всерос. науч. конф. М. : ИПУ РАН. - С. 19 (CD-версия ISBN 5-201-14971-5).

66. Кудашов, А. В. Способ измерения действующего значения напряжения для виртуальных приборов / А. В. Кудашов // Вестник Самарского государственного университета. Сер. "Технические науки", №1(19). 2007. - С. 185-188.

67. Кудрявцев Е. М. Mathcad 2000 Pro / Е. M. Кудрявцев. M. : ДМК Пресс, 2001.-576 с.

68. Мартяшин, А. И. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения / А. И. Мартяшин, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин. М. : Энергия, 1976.-391 с.

69. Медведев, Ф. А. Развитие понятия интеграла / Ф. А. Медведев. М. : Наука, 1974.-423 с.

70. МИ 1317-86. Методические указания. Государственная система обеспечения единства измерений. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров.

71. Михотин, В. Д. Методы построения цифровых частотомеров / В. Д. Михотин. Пенза : Пенз. политехи, ин-т, 1986 - 68 с.

72. Михотин, В. Д. Развитие теории и совершенствование характеристик цифровых средств измерений с весовым усреднением. Дисс. докт. техн. наук. -Куйбышев: Куйб. политехи, ин-т, 1989. - 504 с.

73. Михотин, В. Д. Информационно-измери-тельные технологии / В. Д. Михитин, С. В. Ткачев // Межвуз. сб. науч. тр. «Информационно-измерительная техника». Вып. 25. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 22-29.

74. Мусин, И. А. Планирование эксперимента при моделировании погрешностей средств измерений / И. А. Мусин. М. : Изд-во стандартов, 1989. -136 с.

75. Мэзон, С. Электронные цепи, сигналы и системы : пер. с англ. Г. Циммерман; под ред. А. А. Соколова. М.: Изд-во иностр. лит., 1969. - 619 с.

76. Новенко, Б. А. Цифровые приборы для измерения энергетических величин / Б. А. Новенко, Л. И. Каплан // Сб. науч. тр. Ивановского энергетического института, вып. 23. 1972.

77. Новицкий, П. В. Цифровые приборы с частотными датчиками / П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. Л.: Энергия, 1972. - 424 с.

78. Отнес, Р. К. Прикладной анализ временных рядов / Р. К. Отнес, Л. Эноксон. М.: Мир, 1982. - 428 с.

79. Пат. РФ № 2229723 Способ измерения мощности нагрузки в электрических цепях переменного тока // В. Д. Михотин, В. И. Чернецов. Опубл. в БИ № 15, 2004.

80. Рабинер, П. Теория и применение цифровой обработки сигналов / П. Рабинер, Б. Гоулд. М.: Мир, 1978. - 848 с.

81. Рвачев, В. Л. Атомарные функции в математической физике. В кн. / В. Л. Рвачев, В. А. Рвачев // Математизация знаний и научно-технический прогресс. Киев: Наукова думка, 1975. - С. 40-53.

82. Рвачев, В.Л. Теория приближения и атомарные функции / В. Л. Рвачев, В. А. Рвачев. М.: Знание, 1978. - 64 с.

83. РД 30.11.334-97. Типовая методика выполнения измерений электрической мощности.

84. РД 50-453-84. Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета.

85. Рекомендации по метрологии Р 50.2.004-2000 ГСП. Определение характеристик математических моделей зависимостей между физическими величинами при решении измерительных задач. Основные положения. М. : Госстандарт России, 2000.

86. Френке, Л. Теория сигналов / Л. Френке. М. : Сов. радио, 1974.344 с.

87. Харрис, Ф. Дж. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье / Ф. Дж. Жаррис. ТИИЭР, 1978. -т. 66.-№ 1.-С. 60-96.

88. Хемминг, Р. В. Цифровые фильтры / Р. В. Хемминг. М.: Сов. радио, 1980.-244 с.

89. Хемминг, Р. В. Численные методы для научных работников и инженеров / Р. В. Хемминг. М.: Наука. 1972. - 400 с.

90. Чернецов, В. И. Развитие теории и совершенствование унифицирующих измерительных преобразователей для параметрических датчиков. Дис. докт. техн. наук. Пенза, 2000. - 378 с.

91. Чернецов, М. В. Методы коррекции погрешностей измерений: учеб. Пособие / М. В. Чернецов. Пенза : Изд-во ПТУ, 2001. - 215 с.

92. Шахов, Э. К. Разработка основ теории и новых принципов построения интегрирующих развертывающих преобразователей. Дисс. докт. техн. наук-Куйбышев, 1978,-437 с.

93. Шахов, Э. К. Интегрирующие развертывающие преобразователи / Э. К. Шахов, В. Д. Михотин. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 142 с.

94. Шляндин, В. М. Цифровые измерительные устройства / В. М. Шлян-дин.-М.: Высш. шк., 1981.-335 с.

95. Эманиил, А. Цифровая обработка сигналов: практический подход. 2-е изд. : пер. с англ. / А. Эманиил, Дж. Барри. М. : Издательский дом "Вильяме", 2004. ISBN 5-8459-0710-1 (рус.)