65532

Створення адаптивних засобів обліку і аналізу якості електроенергії

Автореферат

Энергетика

Обсяг спожитої електричної енергії фіксується електролічильниками а її якість контролюється приладами для вимірювання показників якості. Подана робота присвячена питанням розробки адаптивних засобів обліку електроенергії вимірювання показників її якості та відтворення...

Украинкский

2014-07-31

391 KB

4 чел.

PAGE  31

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електродинаміки

ТЕСИК Юрій Федорович

                                                                                              УДК 621.317.38; 621.311.031

СТВОРЕННЯ АдаптивнИХ засобів обліку ТА аналізУ

якості електроенергії

Спеціальність 05.11.05 – прилади та методи вимірювання електричних

та магнітних величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі контролю параметрів електромагнітних процесів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий консультант: – доктор технічних наук, професор, член – кореспондент

                                              Національної академії наук України, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки

       Таранов Сергій Глібович,

 головний науковий співробітник відділу контролю          параметрів електромагнітних процесів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Офіційні опоненти:         - доктор технічних наук, професор

                  Ніженський Анатолій Данилович,

провідний науковий співробітник відділу електричних і      магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ;

            - доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки     і техніки  України  

              Скрипник Юрій Олексійович,  

              професор кафедри автоматизації і комп’ютерних систем       Київського Національного університету технологій та дизайну МОН України, м. Київ;

     -  доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України  

                 Праховник Артур Веніамінович,

                                        директор Інституту енергозбереження та енергоменеджменту, завідуючий кафедрою  електропостачання Національного технічного

                                        університету України „Київський політехнічний                 інститут”, м. Київ.

  

Захист дисертації відбудеться « 26 » травня 2010 р. об 14 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.02 при Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, пр. Перемоги, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, пр. Перемоги, 56.

Автореферат розіслано « 26 »  квітня 2010 р.

Т. в. о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради  О.І.Титко  


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

 Актуальність теми. Електрична енергія (ЕЕ) як і всі інші енергоносії характеризується обсягами її споживання та рівнем якості. Обидві ці характеристики досить жорстко пов’язані між собою, оскільки режими електроспоживання впливають на характеристики ЕЕ, які в нормативних документах називаються  «показниками якості електроенергії» (ПЯЕ). Обсяг  спожитої електричної енергії фіксується електролічильниками, а її якість контролюється приладами для вимірювання показників якості.  Подана робота присвячена питанням розробки адаптивних засобів обліку електроенергії, вимірювання показників її якості та відтворення  нормованих значень потужності, електроенергії та ПЯЕ, що дозволяє забезпечити метрологічну підтримку електроенергетики.

Сучасний етап розвитку економіки характеризується високою енергоємністю та енергоозброєнням праці. Україна не володіє розробленими родовищами нафти та газу. Ціна цих енергоносіїв на світових ринках невпинно зростає. Тому з  кожним роком нарощується виробництво електричної енергії, перевагами якої є простота здійснення дистанційної передачі, зручність та універсальність споживання. Ціна електроенергії, виробленої в Україні, також зростає. Має місце незбалансованість між обсягами виробленої та спожитої електроенергії, що спричинено несанкціонованим  електроспоживанням та застарілими підходами до організації обліку. В цих умовах все більш вагомим показником стає ціна похибки вимірювання обсягів та параметрів якості ЕЕ. Вказані причини, а також перехід на ринкові відносини, поява закону про електроенергетику, зростання питомої ваги електроенергії у загальному обсязі спожитих народним господарством енергоносіїв та її тарифікація призводять до необхідності створення системного підходу до вирішення задачі обліку ЕЕ з урахуванням  показників її якості. Таким чином, нагальною стала потреба в нових приладах, які могли б забезпечити підвищення точності вимірювання параметрів електроенергії, всеосяжний її контроль,  найбільш повний облік та енергозбереження.

Крім того, створення сучасних багатофункціональних засобів обліку та аналізу якості ЕЕ дозволить сформувати сигнали управління, які  дають інформацію про величину і напрямок регулювання багатьох параметрів електромереж. Рішення цієї важливої  задачі неможливе без створення відповідних засобів метрологічного забезпечення,  основою яких являються прецизійні джерела напруг, струмів та ПЯЕ. Актуальність їх розробки набуває в останні роки глобальних масштабів. Про це свідчить удосконалення старих та поява нових  стандартів, направлених на підвищення вимог до засобів обліку ЕЕ та вимірювання ПЯЕ. В розвинених державах світу активно запроваджуються  стандарти, які регламентують норми на якість електроенергії. Міжнародні стандарти на норми якості електроенергії  IEC 1000 та ІЕС 61400-21 вже введено в дію.

Вагомий внесок у вирішення проблеми покращення якості електроенергії та розвиток методів вимірювання її параметрів внесли академіки НАН України Шидловський А.К., Гриневич Ф.Б., чл.-кореспонденти НАН України Таранов С.Г., Кузнєцов В.Г., Волков І.В., Шидловська Н.А., доктори технічних наук Грінберг І.П.,  Гриб О.Г., Музиченко О.Д.,  Жежеленко І.В., Праховник А.В., Скрипник Ю.О., кандидати технічних наук Брайко В.В., Карасинський О.Л., Кизилов В.У., Мірфайзіев О.М.  

Це обумовило тему представленої дисертаційної роботи.

 Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена дисертація є результатом виконання багаторічної традиційної тематики відділу  контролю параметрів електромагнітних процесів ІЕД НАН України по створенню окремих приладів, інформаційно-вимірювальних систем і засобів метрологічного забезпечення електроенергетики у частині вимірювання параметрів електричних мереж. Автор брав безпосередню участь у виконанні науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт, які проводились в межах Державної науково-технічної програми 1.9.2.7. „Метрологічне забезпечення, методи і засоби діагностики і підвищення надійності електроенергетичного обладнання” за завданнями Президії Національної академії наук України, а саме: „Межа”- „Багатофункціональні інформаційно-вимірювальні комплекси та методи  вимірювання в  системах  генерування,  перетворення  та розподілу електричної енергії” (№ДР 0102U002610, 2002-2006р.р.) – відповідальний виконавець;  „Прилад-3П” - „Розробка складових частин  інформаційно-вимірювальних комплексів для дослідження динамічних процесів в системах моніторингу та діагностики” (№ДР 0103U002486, 2004-2006р.р.) – відповідальний виконавець; „Юпітер-3” - „Розробити теоретичні основи та принципи побудови еталонних засобів вимірювання потужності трифазних мереж та створити фізичну модель трифазної системи калібровки  електролічильників та реле захисту” (№ДР 0100U003087, 2000-2004р.р.) – відповідальний виконавець;  „Прилад-2П” - „Інформаційно-вимірювальні системи та прилади для визначення електромагнітних параметрів конструкційних електротехнічних матеріалів і технологічних процесів в електроенергетиці” (№ДР 0101U002147, 2001-2003р.р.)- відповідальний виконавець;  „Прилад-П” - „Розробити і дослідити контрольно-вимірювальні прилади для діагностики електроенергетичного  обладнання” (№ДР  0198U007344, 1998-2000р.р.) – відповідальний виконавець; „Юпітер-2”  - „Розвинути  теорію та створити нові засоби обліку електроенергії, обробки інформації і перевірки” (№ДР 0195U000910, 1995-1999р.р.) – відповідальний виконавець; „Президент-П” - „Дослідити принципи та визначити можливості створення засобів обліку електроенергії, оцінки якості та технічної діагностики енергооб’єктів” (№ДР UА 01008518Р, 1992-1994р.р.) – відповідальний виконавець; „Юпітер” - „Дослідити і розробити методи вимірювання параметрів і характеристик швидкозмінних і усталених електромагнітних процесів” (№ДР 01840047281, 1984-1987р.р.) – відповідальний виконавець. Ці теми були логічним продовженням   робіт за Всесоюзною цільовою програмою О.Ц. 003 «Подальший розвиток єдиної електроенергетичної системи (ЄЕЕС) СРСР з метою підвищення її ефективності, надійності роботи і зниження втрат енергії в електричних мережах», постановою Ради Міністрів СРСР № 706 від 15.06.83., Всесоюзною цільовою комплексною програмою, затвердженою наказом № 227 від 12.08.1983р. по Міненерго СРСР і № 278 від 14.08.1983р. по Мінприладу СРСР, а також рішенням ДКНТ СРСР № 370 від 10.09.1981р.,  у виконанні яких автор брав безпосередню участь.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка основних положень та принципів побудови інваріантних до факторів впливу та неінформативних пара-метрів засобів вимірювання та відтворення кількісних і якісних параметрів електро-енергії і створення на їх основі гами засобів вимірювання і метрологічного забезпечення.

Для досягнення поставленої в роботі мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- систематизувати та теоретично узагальнити принципи побудови та структури засобів вимірювання кількісних та якісних параметрів електричної енергії, вивчити їх властивості та визначити умови інваріантності;

- розробити принципи побудови засобів вимірювання кількісних і якісних параметрів електроенергії, інваріантних до змін частоти,  амплітуди, кута зсуву фаз та неінформативних параметрів і синтезувати структурні схеми, що задовільняють умовам інваріантності;

- розвинути метод дискретного перетворення Фур’є стосовно перетворення активної і реактивної потужності та фільтрації основних гармонік симетричних складових трифазної напруги та струму;

- розробити алгоритми роботи перетворювачів код-частота імпульсів та мікропроцесорних визначників співвідношення частот і створити на їх основі  принципи побудови і структурні схеми еталонів електричної потужності та енергії; - розробити нові методи нормування малих значень інформативних ПЯЕ на тлі великих неінформативних шляхом послідовного підмішування, компенсації та симетрування основної багатофазної  системи сигналів основної гармоніки мережі; - розробити та експериментально дослідити ітеративний метод та алгоритм автоматизованого моделювання статичних параметрів багатофазної системи напруг і струмів для завдання режимів перевірки робочих засобів вимірювання кількісних  та якісних параметрів ЕЕ;

- розробити новий метод перенесення точності від джерела каліброваної постійної напруги до джерела змінної напруги, оснований на властивості інерційності реактивних елементів коливального контуру, як засобів перенесення високої точності та дослідити характеристики відтворюваних сигналів;  - провести експериментальні дослідження метрологічних характеристик розроблених засобів вимірювання з метою перевірки та підтвердження одержаних теоретичних результатів.

Об’єктом дослідження є процеси вимірювання параметрів трифазної мережі промислової частоти 50 2,5 Гц та відтворення їх нормованих значень у діапазоні змін струмів від 500мкА до 500А, діапазоні змін напруг від 1мВ до 500 В, діапазоні змін кутів зсуву фаз від 0 до 1800, на тлі високих рівнів неінформативних параметрів.

Предметом дослідження є методи створення адаптивних засобів прецизійного перетворення та відтворення кількісних і якісних параметрів електричної енергії на тлі неінформативних параметрів.

Методи дослідження. Загальною методичною основою роботи стали методи теоретичної електротехніки і інформаційно-вимірювальної техніки з використанням математичного апарату рядів Фур’є і матричного обчислення. Основні положення теоретичних досліджень перевірені автором експериментально на розроблених ним адаптивних вимірювальних перетворювачах потужності, енергії, напруг, струмів, показників якості та засобах метрологічного забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів:

  1.  Розвинуто теорію та розроблено принципи побудови засобів вимірювання параметрів ЕЕ, адаптованих до змін струмів, напруг, частоти мережі, зміщення „нуля” вхідних вимірювальних перетворювачів, кута зсуву фаз між напругами і струмами мережі.
  2.  Вперше розроблено структурні методи підвищення точності вимірювання інформативних параметрів шляхом амплітудної та фазової компенсації неінформативних параметрів, побудови прецизійних джерел напруг, струмів, потужностей та ПЯЕ шляхом  окремого формування основної трифазної системи високостабільних напруг та струмів номінального рівня та додаткових регульованих систем напруг і струмів з подальшим їх складанням, на основі яких розроблені раціональні структурні схеми, які дозволяють з високою точністю відтворити широкий спектр параметрів ЕЕ і в тому числі показників її якості.
  3.  Теоретично обгрунтовано універсальні принципи обробки сигналів електричної мережі на основі синхронізованої дискретизації сигналів електромережі у часі та квантування дискретних вибірок з подальшим застосуванням дискретного перетворення Фур’є стосовно перетворення реактивної потужності та фільтрації основних гармонік симетричних складових трифазної напруги та струму.
  4.  Вперше розроблено алгоритми функціонування мікроконтролерів, які забезпечують цифрову обробку параметрів електричних мереж та адаптивність вхідних і вихідних вимірювальних перетворювачів.
  5.  Проведені теоретичні та експериментальні дослідження похибок цифрового  встановлення робочих точок багатофазного джерела струмів і напруг шляхом ітеративного порівняння відновлюваних параметрів з нормованими, що дозволило автоматизувати процес перевірки засобів вимірювання параметрів ЕЕ.
  6.  Теоретично обгрунтовано метод нормування ПЯЕ за значеннями компенсаційного сигналу, що дозволило атестувати вимірювачі ПЯЕ з похибкою взірцевих засобів вимірювань.
  7.  Вперше розроблено новий метод відтворення параметрів електричної мережі, оснований на безпосередній передачі точності вимірювання сигналу постійної напруги до джерела змінної напруги.

8. Впершее запропоновано метод компенсації впливу підмагнічування на метрологічні характеристики вимірювальних трансформаторів струму, принцип дії якого грунтується  на компенсації постійного  магнітного потоку осердя шляхом формування і введення сигналу підмагнічування протилежного напрямку.

9. На основі проведеної класифікації засобів обліку та аналізу якості електроенергії зроблено прогнозування щодо подальшого їх розвитку.

Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних і експериментальних досліджень запропоновано структурні та принципові схеми,  алгоритми роботи мікроконтролерів, які були покладені в основу  робочих еталонів  потужності  та  енергії  першого (СТО-4, СТ0-3),  другого (СТО-2)  та третього (СТО-1) розрядів класів точності 0,02, 0,05; 0,1 та 0,2, відповідно, впроваджених в організаціях Мінпаливенерго та Держспоживстандарту України, а також у підприємствах приладобудівної галузі,  робочих засобів обліку електроенергії класів точності 0,2; 0,5; 1,0, серійне виробництво яких розпочато в підприємстві ЗАТ “ЕЛВІН” (м. Київ).

Виготовлено та проведено Державну метрологічну атестацію більше 100 робочих еталонів  для повірки робочих засобів обліку електроенергії.

На основі запропонованого алгоритму ітеративного завдання робочих точок багатофазної системи струмів і напруг створено автоматизовану метрологічну установку для повірки електролічильників з розширеним діапазоном робочих струмів від 10мА до 200А  і напруг від кількох одиниць до кількох сотень вольт, яка успішно атестована в Держспоживстандарті України, впроваджена і використовується  в підприємстві ЗАТ “ЕЛВІН” (м. Київ).

Розроблені алгоритми та програмне забезпечення автоматизованих стендів для перевірки електролічильників та документування її результатів.

Запропонована функціональна схема, яка покладена в основу практичної реалізації прецизійних джерел ПЯЕ. На базі цієї схеми були створені: перевірочний комплекс У4330/1, автоматизоване робоче місце «Промислова мережа» (ВО „Електровимірювач” м. Житомир), стабілізоване трифазне джерело живлення  (ЗАТ “ЕЛВІН”, м. Київ). Більшість пристроїв атестовано в органах Держстандарту СРСР та Держспоживстандарту України, а перевірочний комплекс У4330/1 та стабілізоване трифазне джерело живлення були атестовані як робочі засоби  повірки вимірювачів ПЯЕ.

Проведено Державну метрологічну атестацію унікальної робочої міри для повірки приладів контролю показників якості електроенергії.

Розроблено, затверджено і впроваджено методику повірки МП 081/29.10-05: ”Вимірювачі показників якості електроенергії”, за якою провадиться повірка засобів вимірювання ПЯЕ.

За результатами розробок та наукових досліджень виготовлено і успішно проведено Державну метрологічну атестацію багатофункціонального аналізатора показників якості електроенергії. Підтверджений економічний ефект, отриманий за 1 рік від впровадження багатофункціональних електролічильників тільки в Держ-водгоспі України, складає 3 млн. грн. Очікуваний - сягає 2 мільярдів гривень на рік.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати роботи, які винесені на захист, розроблені здобувачем самостійно. В колективних опублікованих працях здобувачеві особисто належить: [1, 26-30, 35] - обґрунтовано алгоритм вимірювання симетричних складових за ортогональними складовими багатофазної системи  напруг; ; [2] – розроблено структурну схему корекції динамічної похибки багатоканального АЦП; [3] – розроблено структурну схему та проведено аналіз похибки перетворювача код-частота імпульсів; [4] – створено алгоритм вимірювання активної потужності на основі мікроконтролера; [5] – запропоновано алгоритм роботи мікроконтролерного вимірювача частоти імпульсів; [6] – запропоновано алгоритм вимірювання реактивної потужності на основі мікроконтролера; [7] -  розроблено принципи побудови та структурну схему цифрового багатофазного генератора на основі мікро контролера; [8] - обґрунтовано можливість створення мікроконтролерного помножувача частоти та запропоновано його структурну схему і алгоритм роботи;  [9] - методологія досліджень впливу обвідних сигналів мережі на динамічну  похибку вимірювання електричної енергії;  [10] - створе-но принципи обміну інформації між вузлами інформаційно-вимірювальної системи для перевірки засобів обліку електроенергії; [11] - розроблено метод калібрування показ-ників якості електроенергії шляхом додавання додаткової системи напруг до вихід-ної системи напруг і компенсації додаткової системи напруг на вході стабілізатора основної гармоніки; [12] – створено принципи побудови прецизійних джерел статичних показників якості електроенергії; [13] – запропоновано алгоритм вимірювання параме-трів багатофазної мережі  на основі мікроконтролера; [14] – проведено аналіз динамічної похибки багатоконтурної вимірювальної системи; [15] - розроблено структурну схему та методологію досліджень впливу постійних струмів на похибку вимірювальних транс-форматорів; [18, 20, 25] – розроблено ітеративний метод калібрування багатофазного генератора для моделювання параметрів мережі;  [21] – проведено аналіз стійкості багатоконтурної вимірювальної системи;  [22] – систематизовано електролічильники за ознаками; [34] -  розроблено структурну схему компенсації кута зсуву фаз неінформа-тивного параметра; [36] -  розроблено структурну схему вимірювання усталеного відхи-лення напруги мережі з компенсацією неінформативного параметра; [37] –  запропоно-вано структурну схему вимірювання електроенергії з розподілом на якісну і неякісну; [38, 40] -  запропоновано алгоритм  адаптації перетворювачів параметрів ЕЕ до змін рівнів вимірюваних струмів та напруг;  [39] -  запропоновано алгоритм  компенсації похибки вимірювання потужності  від неодночасного взяття вибірок струмів і напруг [41] – запропоновано алгоритм роботи перетворювача потужності в частоту.

         Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи допові-дались та обговорювались на 11-и Міжнародних науково-технічних конференціях:in the 4-th IMECO International symposium of TС-4 of "Intelligent measurement of electrical and magnetic quantitiesfull paper format.- November 15-17, 1990. - Varna, Bulgaria ; Міжнародній нараді-семінарі 24-26 жовтня «Наукові основи електродіагностиних систем в електроенергетиці» (Київ, 1989р.); in International Symposium SPEEDAM (Italy, 1996 year); in the XVII IMEKO World CongressMetrology in the 3rd Millenniumfull paper format.- June 22-27, 2003. - Dubrovnik, Croatia; in 13th IMEKO TC4 Symposium full paper format. – Sept.29th – Oct. 1st, 2004.- Athens, Greece; першій та другій Міжнародних науково-технічніх конференціях “Моделирование в электротехнике, электронике и светотехнике МЭЭС’05” (Київ, 2005р.) та “Моделирование в электротехнике, электронике и светотехнике МЭЭС’07” (Київ, 2007р.), на ІХ-ій та Х-ій Міжнародних науково-практичних конференціях „Современные информационные и электронные технологии (“СИЭТ-2008”) (Одеса, 2008р.) та „Современные информационные и электронные технологии (“СИЭТ-2009”) (Одеса, 2009р.); на Міжнародній науковій конференції „Моделиорование -2008” (Київ, 2008р.), in the XIX IMEKO  World Congress “Fundamental and Applied Metrology” full paper format.- September 6 - 11, 2009.- Lisbon, Portugal; на Республі-канській науково-технічній конференції «Пристрої перетворення інформації для контролю і управління в енергетиці» (Харків, 1985р.) та на Всесоюзному науково-технічному семінарі "Микроэлектронные датчики" (Ульянівськ, 1988р.).            Публікації. По темі дисертації опубліковано 65 робіт, у тому числі 24 статті у фахових наукових виданнях, 2 препринти, 15 авторських свідоцтв СРСР, 5 патентів (Франції, ФРН, НДР, ЧРСР), 3 патенти України, 13 тез доповідей на міжнародних, Всесоюзній і Республіканській  науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел з 310 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 363 сторінки, в тому числі 293 сторінки основного тексту, 107 рисунків та 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні завдання дослідження, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів. Наведені відомості про впровадження отриманих результатів та їх економічну ефективність, викладені дані про особистий внесок здобувача у проведенні досліджень, апробацію та публікації результатів роботи.

Перший розділ присвячений аналізу рівня розвитку теорії і практики вимірювань в електроенергетиці, визначенню проблем, з якими стикаються розробники нової вимірювальної апаратури, та місця України, як розвинутої держави, в світовій ієрархії електроенергетичного приладобудування.

Розподілено інформативні параметри ЕЕ на концептуально визначені і концептуально невизначені. До першої групи параметрів  належать змінний струм, змінна напруга, частота, активна і повна енергія, кут зсуву фаз та ін. Вони відрізняються тим, що мають чіткі і однозначні  формулювання, за якими відбувається їх визначення або обчислення. До другої групи слід віднести реактивну потужність та енергію і показники якості електроенергії, які можуть бути визначені та обчислені за кількома формулами. Наслідком цього є порушення цілісності системи єдності вимірювань, оскільки вимірювання параметра одного процесу за різними формулами призводить до різних результатів.   

Розглянуто особливості вимірювання параметрів електричної енергії, які полягають у наявності перевищення у сотні і тисячі разів неінформативного параметра над інформативним, широкому діапазоні змін напруг, струмів, частоти, несиметрії, гармонічних складових, несинусоїдальності, кутів зсуву фаз між векто-рами струмів і напруг, векторами напруг прямої і зворотної послідовностей і ін.  

Проведено порівняльний аналіз методів і засобів вимірювання параметрів електричної енергії та вказано на перспективність цифрових методів вимірювання і обробки інформації  для створення універсальних засобів вимірювання  струмів, напруг, потужності і показників якості ЕЕ.

За результатами огляду методів і засобів вимірювання параметрів ЕЕ запропоновано класифікацію за ознаками робочих та еталонних засобів її обліку і приладів контролю показників якості, технічні характеристики зазначених засобів вимірювання  провідних фірм світу зведені в таблиці, які полегшують  визначення пріоритетів та напрямків розвитку вітчизняного приладобудування.

Проведено порівняльний аналіз методів і засобів відтворення змінних струмів і напруг, активної і реактивної енергії, параметрів якості електроенергії.

Систематизація та порівняльний аналіз існуючих засобів вимірювання та відтворення параметрів ЕЕ дозволили визначити провідні світові фірми “FLUKE” (Нідерланди); “EMH”, „ZERA” (ФРН); “Hewlett Packard”, “Radian”, “Dranez”, “АВВ” (США); “Landis & Gyr” (Швейцарія); „Schlumberger”(Франція), які займають лідируючі позиції у багатьох напрямках вимірювань у світі.

Показано, що методи відтворення ПЯЕ провідних фірм світу,  засновані на формуванні малих інформативних параметрів шляхом завдання відхилень значно більших за рівнем неінформативних параметрів, не зважаючи на застосування прецизійної елементної бази, не дозволяють досягти бажаного рівня похибки та стабільності на рівні 0,001%.

Методологічною основою нормування реактивної потужності та ПЯЕ є необхідність їх оцінювання за основною гармонікою сигналу мережі. За таких обставин необхідною умовою вимірювання є спеціальна обробка сигналів з метою виділення перших гармонік інформативних параметрів, а  відтворення – введення стабілізації першої гармонічної складової мережі та мінімізація нелінійних спотворень відтворюваних сигналів, що викликає додаткові труднощі на шляху досягнення високої точності вимірювань.

Встановлено, що наприкінці минулого століття Україна не мала власного серійного виробництва електронних засобів обліку ЕЕ та засобів їх метрологічного забезпечення і поступово втрачала свої позиції на міжнародній арені що до засобів контролю її якості. Єдиним досягненням з часів СРСР була перевірочна установка У4330, яка не могла використовуватись для перевірки широкого класу засобів вимірювання через обмежені функціональні можливості, відсутність корекції часової і температурної нестабільностей елементів схеми і ручне керування процесом перевірки. Разом з тим закладені в ній принципи побудови можуть бути використані для розробки прецизійних багатофункціональних джерел параметрів  електроенергії.

Другий розділ присвячений розробці принципів побудови засобів вимірювання електричних величин, адаптованих до змін таких параметрів мережі як частота, амплітуда струму і напруги, відхилення напруги, коефіцієнт n-ої гармонічної складової, кут зсуву фаз та перевищення амплітуди неінформативного параметра (НП) над амплітудою інформативного параметра (ІП). Нехтуючи мультиплікативною складовою похибки, яка може бути cкорегована під час калібрування, відносну похибку приладів на основі аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) можна представити у вигляді

                                                                                                       (1)

де - сумарна похибка цифрового приладу, - адитивна похибка приладу, - динамічний діапазон вимірювань фізичної величини приладу.

За умови, що = 0,02%, а =512, з виразу (1) отримаємо =20,48%.Тобто, в широкодіапазонних приладах, якими є електронні електролічильники, застосування навіть прецизійних АЦП з кількістю розрядів, яка сягає 16 і більше, досягнення високої точності вимірювань без використання додаткових структурних методів підвищення точності є нездійсненною задачею.

Із зменшенням сигналу на вимірювальній шкалі  від номінального рівня до мінімального похибка вимірювань зростає за гіперболічною залежністю.

Виходячи з того, що в стандартах на електролічильники нормується стала за величиною відносна похибка вимірювань в усьому динамічному діапазоні за струмом, який значно перевищує 100%,  а відносна похибка аналого-цифрових перетворювачів з наближенням до початку шкали стрімко зростає, автором запропоновано запровадити адаптивний принцип вибору робочої ділянки шкали АЦП, виходячи з похибки, яку необхідно забезпечити для даного засобу вимірювань.

Суть запропонованого методу полягає в багаторазовому прецизійному підсиленні вимірюваного сигналу в кратне число разів з одночасним пропорційним послабленням вихідного інформативного параметру. Такий підхід дозволяє використовувати найбільш прийнятний за похибкою відрізок робочої шкали АЦП у всьому динамічному діапазоні змін величини вхідного параметра. Оскільки АЦП оперує з двійковими кодами, доцільно переключення коефіцієнтів підсилення вхідного інформативного параметру та коефіцієнтів ділення вихідного інформативного параметру забезпечувати з кроком, який також відповідає двійковому коду.

Структурна схема перетворювача потужності в частоту для автоматичного здійснення такої операції представлена на рис.1.

        Завдяки  використанню  представленої структурної  схеми,  весь  робочий  діа-

пазон АЦП розбивається на  N піддіапазонів  ,  в  межах  яких  коефіцієнти  К  передачі  КМП  і  ділення  КПЧ  є незмінними, а похибка лічильника залишається в рамках допустимих величин, як це показано на рис. 2.

Рис. 2. Коефіцієнти передачі КМП і ділення

         КПЧ в  залежності  від  піддіапазона

Автором запропоновано кілька структурних схем, які забезпечують практичне втілення цього принципу на основі аналогових і цифрових схем. Одна з них представлена на рис. 3. 

Рис. 3. Електронний лічильник з масштабуванням за струмом і напругою

МП1 і МП2 - масштабуючі пристрої, АЦП1 і АЦП2 - аналого-цифрові перетворювачі, ЦБП - цифровий блок помноження, ОП - обчислювальний пристрій, БК – блок керування, РЛЧ1 і РЛЧ2 - реверсивні лічильники, РГС - регістр зсуву, НС -   накопичувальний суматор, БІ - блок індикації.

Формування сигналів управління коефіцієнтами передачі масштабних перетворювачів струмів і напруг здійснюється в такий спосіб. Вхідні сигнали напруги і струму масштабуються в МП1 і МП2 і перетворюються в кодові значення в АЦП1 і АЦП2 . Ці коди перемножуються в ЦБП , проходять через РГС і складаються в НС, а БІ відображає загальну кількість електроенергії. Вихідні коди АЦП1 , АЦП2 і ЦБП надходять на входи ОП, який за кодовими значеннями вибірок напруги, струму і потужності формує керуючі сигнали для БК. Останній керує напрямком рахунку в РГС, РЛЧ1 та РЛЧ2 і видає на їхні рахункові входи пачки   імпульсів,  які визначають коефіцієнти підсилення МП1 і МП2 з ряду 2m , де m - ціле число. Код вибірки потужності в РГС зсовується під керуванням вихідних імпульсів БК, кількість яких дорівнює сумі вихідних кодів РЛЧ1 і РЛЧ2 .

Частота зчитування кодів коефіцієнтів підсилення з АЦП1 і АЦП2 в декілька разів вище частоти мережі. Тому БК дозволяє при мінімальних навантаженнях швидко встановлювати максимальний коефіцієнт підсилення МП1 і МП2, а ЦБП усуваює можливі збої за умов наявності варіацій навантаження, забезпечуючи гістерезис під час вибору коефіцієнтів передачі (див. рис. 4). Таким чином, коефіцієнти     підсилення    МП   KМП.F  і  ділення вихідної частоти  КДН.Ф визначаються  виразом  KМП.FДН.Ф=  (де MF ціле число) і автоматично підбираються так, щоб АЦП постійно працювали на вузькій оптимальній ділянці своїх робочих характеристик незалежно від зміни величин фазних струмів і напруг.

Рис. 4. Діаграми вибору коефіцієнтів передачі масштабних перетворювачів

Іншим фактором впливу на точність вимірювання параметрів електроенергії є неінформативні параметри, на тлі яких відбуваються вимірювання. До них відносяться фазні напруги і струми мережі, напруга прямої послідовності, вищі гармонічні складові сигналів трифазної мережі.    

Для  забезпечення швидкодії  пристроїв  компенсації спотворень форми сигналів мережі необхідні фільтри, що дозволяють у реальному масштабі часу виділяти вищі гармоніки без зміни їхніх амплітуд і кутів зсуву фаз. Найближчим прототипом такого фільтру є аналізатор гармонік з паралельними  фільтрами  для виділення n-ої гармоніки складного сигналу.

Мультиплікативні похибки аналізатора обумовлені нестабільністю коефіцієн-тів передачі каналів. Адитивні похибки аналізатора викликані проходженням на вихід кожного фільтра сусідніх гармонік.

Для  зменшення  впливу   сусідніх   гармонік   на  точність перетворення  і-го каналу  автором запропоновано використовувати  схему  з паралельними   фільтрами,  зображену  на рис. 5, яка дозволяє компенсувати неінформативний  параметр. 

Рис. 5. Структурна  схема  аналізатора  гармонік  з

             компенсацією неінформативного параметру

ДП1–ДПn – диференціальні підсилювачі, СП1- СПmceлективні підсилювачі.

В результаті  віднімання зі складного  сигналу на вході і-го каналу гармоніч- них складових з виходів фільтрів сусідніх каналів, матриця  адитивних складових похибок, викликаних проходженням на вихід і-го каналу гармонік вхідного сигналу з  порядковим номером , для пристрою, приведеного на рис. 5, буде мати вигляд

 (2)

де - відхилення коефіцієнтів передачі частотних каналів від номінального рівня, , , …,…- перша , друга, j-а і n-а гармоніки вхідної напруги, відповідно, - коефіцієнт передачі j-го каналу за j-ою гармонікою, , , … ,- вихідні напруги  першого, другого, j-го і  n-го каналів, відповідно.

З огляду на те,  що  добутки   є величинами другого порядку малості, ними у виразі (2) так само  як і адитивною похибкою  фільтрації  вищих гармонік за допомогою схеми (рис. 5) можна знехтувати. Домінуючою складовою похибки цієї схеми є мультиплікативна.

Зменшення цієї складової похибки  аналізатора з паралельними  фільтрами  досягається шляхом застосовування, запропонованої автором схеми, зображеної на рис. 6. На відміну від схеми, представленої на рис. 5, вона додатково містить суматор  і різницевий пристрій РП.

        Рис. 6. Структурна схема аналізатора гармонік з компенсацією

                    адитивної та  мультипликативної  складових  похибки    

                                               

ДП1–ДПn – диференціальні підсилювачі, СП1- СПmceлективні підсилювачі, - суматор,   РП – різницевий пристрій.

Розглянута структура з паралельними  фільтрами, охоплена негативним зворотним зв'язком, крім ослаблення впливів сусідніх каналів на точність виділення гармонік дозволяє істотно знизити мультиплікативну складову похибки.

Показано, що відносна похибка вимірювання усталеного відхилення напруги прямої послідовності (НПП) методом порівняння з її номінальним значенням визначається наступним виразом

                                                                 (3)

де -напруга прямої послідовності основної частоти, - номінальне   значення  усталеного відхилення НПП, - номінальні значення коефіцієнтів передачі блоків вимірювального тракту, ,, - похибки відповідних блоків.

Оскільки може перевищувати   у сотні і тисячі разів, похибка за виразом  (3) сягає 7%, що не відповідає вимогам стандарту 13109-97.

Автором запропоновано розвинути диференційний метод стосовно вимірювання усталеного відхилення напруги прямої послідовності. Створена і впроваджена за участю автора схема (рис. 7) дозволила більше ніж на порядок зменшити похибку від впливу напруги прямої послідовності. Суть запропонованого способу полягає у зменшенні НП на нормовану величину до обробки ІП у вимірювальних перетворювачах.

       Рис. 7. Структурна схема виділення усталеного відхилення напруги

                   прямої послідовності мережі за основною гармонікою

РСП1, РСП2- селективні підсилювачі, ПО-підсилювач-обмежувач, К- ключ, ДП- диференційний підсилювач, ДОН- джерело опорної напруги, ФССПП - фільтр симетричних складових прямої послідовності, СД- синхронний детектор, ФНЧ -фільтр нижніх частот, ППК- перетворювач періоду напруги мережі в код, ВБ- виконавчий блок і БР - блок реєстрації.  

Відносна похибка вимірювання  усталеного відхилення напруги за допомогою структурної схеми (рис. 7) визначається наступною формулою

                                                                                 (4)

де - номінальне значення напруги прямої послідовності, - номінальне   значення  усталеного відхилення НПП, - кут зсуву між дійсним вектором прямої послідовності та вихідним вектором ФССПП.

Зменшення впливу напруг зворотної та нульової послідовностей на величину кутадосягається застосуванням запропонованої автором схеми (рис. 8) виділення усталеного відхилення  напруги прямої послідовності з компенсацією напруг зворотної і нульової послідовностей. В результаті аналізу точності цієї структурної схеми автором було отримано матрицю абсолютних похибок вимірювання  симетричних складових

                (5)

Компенсація зворотної та нульової послідовностей за допомогою ДУ4 - ДУ6 призводить до значного придушення неінформативних складових і, відповідно, до зменшення кута .

Остаточно позбавитись впливу кута  дозволяє канал автоматичного  супроводження  за кутом зсуву фаз, доданий до у схему вимірювання усталеного відхилення напруги (рис. 8). В цій схемі керуючим сигналом каналу автопідстроювання по фазі є вихідний сигнал помножувального пристрою, який дорівнює нулю тільки у випадку строгої ортогональності сигналів, що помножуються     

    

                                (6)

        Створення прецизійних засобів вимірювання параметрів електромережі неможливе без адаптації до її частоти. Функцію синхронізації частоти вибірок АЦП засобів вимірювання можуть виконувати помножувачі частоти (ПМЧ). Відомі ПМЧ

Рис.  8. Структурна схема виділення усталеного відхилення напруги

           прямої послідовності з автосупроводом за кутом зсуву фаз

РСП1,РСП2- регульовані селективні  підсилювачі, ПО1, ПО2 – підсилювачі-обмежувачі, ЦРФ - цифровий розщіплювач фаз, ФОТСН - формувач опорної трифазної системи напруг, ДОН -джерело опорної напруги, ДП1-ДП6-диференціальні підсилювачі, ПССЗП, ПССНП, ПССПП - вимірювальні перетворювачі симетричних складових зворотної, нульової і прямої послідовностей, відповідно, СД - синхронний детектор, ФНЧ - фільтр нижніх частот, ППК -перетворювач періоду в код, ВБ1 , ВБ2 - виконавчі блоки, БР - блок реєстрації, КФО - круговий фазообертач, К - компаратор, Ф - фільтр, ПП - помножувальний пристрій, ФПП - фазоповоротний пристрій на .

на основі дискретних елементів займають значні обсяги друкованих плат та мають високе споживання. Тому автором були запропоновані структурна схема (рис. 9) та алгоритм роботи мікропроцесорного ПМЧ.

Похибка помножувача частоти (рис. 9) складає 0,5 мікросекунди.

Рис. 9. Помножувач частоти на основі вузлів мікроконтролера

 ГТІ- генератор тактових імпульсів, Рг1, Рг2 – регістри, Лч - таймер-лічильник.  

У третьому розділі досліджені методи побудови мікропроцесорних засобів вимірювання параметрів електроенергії, запропоновані алгоритми їх роботи та структурні схеми.

Обґрунтовано алгоритм  визначення  прямої,  зворотної  і  нульової послідовностей напруг трифазної мережі. Фазні напруги Ua, Ub, Uc для з’єднання  типу "зірка" чи лінійні Uab, Ubc, Uca для з'єднання типу "трикутник"  дискретизуються в рівновіддалених точках на періоді основної гармоніки. За цих умов виходять відліки миттєвих значень напруг Xan, Xbn, Xcn, n=0..N-1, N – кількість вибірок на  періоді.  За  отриманими  значеннями  обчислюються  ортогональні складові фазних (лінійних) напруг:

                                            (7)

де   .

Отримані значення косинусних і синусних складових фазних напруг використовуються для обчислення косинусних  і  синусних  складових  напруг нульової, прямої  і зворотної  послідовностей  у чотирьохпровідних електричних мережах.

Діючі значення напруг симетричних складових визначаються за наступними виразами:

                                                                          (8)

         За реалізації цифрового методу розкладання в ряд Фур'є використовується  алгоритм дискретного перетворення Фур'є  (ДПФ),  що  описується формулами, подібними до (7):                                                                                                      

                                                                               (9)

де Xn  - коди вибірок миттєвих значень сигналу u(t),  взяті в  рівновіддалені моменти часу (T/N) n,  N - кількість вибірок сигналу на періоді, Ak і Bk – косинусна і синусна складові k-ої гармоніки сигналу u(t).

Розроблені метод та алгоритми вимірювання активної та реактивної потужностей однофазної мережі, засновані на кусочно-лінійній апроксимації амплітуд одного із двох інформативних сигналів, дозволили створити мікроконтролерний перетворювач потужність-код на основі одноканального мультиплексованого АЦП з корекцією похибки, викликаної зміщенням у часі вибірок помножуваних кривих напруги і струму. Запропоновано структурну схему мікроконтролерного вимірювача потужності (рис. 10). Особливістю даної схеми є почергове кодування напруг і струмів, так що в  мікроконтролері (МК) за один період напруги накопичується два масиви миттєвих значень напруг U[n] і струмів I[n], елементи яких дорівнюють

                              (10)

де 2N – коефіцієнт множення частоти помножувача частоти (ПЧ), що запускає процедуру кодування й обробки миттєвих значень сигналів.

Проведемо лінійну апроксимацію кривої напруги, тоді миттєве значення напруги в момент взяття n-ої вибірки струму приблизно дорівнює

                                                                                         (11)

Проведено аналіз методичної похибки запропонованого алгоритму вимірю-вання потужності. Представимо вхідні напруги і струми у вигляді рядів Фур'є:

                                          

                                                                              (12)

де Uk, Ik – діючі значення напруг і струмів k-ої гармоніки, Шuk, Шik – їх початкові кути зсуву фаз.

Припускаючи виконання умов теореми Котельникова про те, що подвоєний номер вищої гармоніки не перевершує кількість вибірок сигналу на періоді, і з огляду на співвідношення (10), (n-1)-а і n-а вибірки напруги і n-а вибірка струму рівні:                                                                    

                                                     (13)

де M – найбільший номер гармоніки, що не перевищує значення N/2.

Відповідно n-а складова суми добутків миттєвих значень напруг і струмів, з урахуванням формули (11), дорівнює

                                                                  (14)

Після підстановки виразу (13) у (14) і перетворень одержимо:

                (15)

Обчислимо значення потужності за даними кодування миттєвих значень напруг і струмів для одного періоду:

                                                                   (16)

Підставивши у формулу (16) вираз (15) і змінивши порядок підсумовування, одержимо                           

                 (17)

Перший доданок розглянемо для довільного значення гармоніки k. Після перетворень одержимо

       (18)

Другий доданок у формулі (17) розглянемо для двох довільних значень k1 і k2, k1≠k2. У цьому випадку можна виключити внутрішні знаки підсумовування. Виконавши перетворення, отримаємо

                                          (19)

Як відомо, сума функції косинуса з аргументами, взятими для рівновіддалених значень аргументу на інтервалі 2р, дорівнює 0, тому після відкидання всіх сум, рівних нулю, залишається

                                       (20)

Одержана формула відрізняється від відомої формули [4], відповідно до якої активна потужність кола дорівнює сумі потужностей Pk для  кожної гармоніки, тільки наявністю множника cos(рk/N) для кожної складової Pk. Тобто формулу (20) можна представити у вигляді

                                                                 (21)

У такий  спосіб  методична  похибка   виявляється  у  вигляді  зниження впливу  потужностей  вищих  гармонік, причому  цей  вплив тим менше, чим  більше значення N.

 Для обчислення реактивної потужності беруться коди  усередненого по двох сусідніх вибірках, напруги і миттєвого значення струму, зсунутого на чверть періоду, що відповідає елементу масиву Ir[n-N/4]. Відзначимо, що індекс елемента масиву завжди береться по модулю N, і тому його значення знаходиться в інтервалі від 0 до N-1. У цьому випадку реактивна потужність обчислюється за формулою

                                          (22)

Розроблено алгоритм процедури вимірювань реактивної й активної потужностей, що викликається в кожному циклі обробки переривання від ПЧ.

Запропоновано алгоритм одночасного вимірювання, обробки та виведення на на дисплей прилада або комп’ютера багатьох параметрів ЕЕ. Одночасно виміряна інформація використовується для аналізу аварійних ситуацій мережі (рис. 11).

Рис. 11. Інформація про одночасно виміряні дані на дисплеї

У четвертому розділі досліджено принципи побудови еталонних засобів вимірювання параметрів електричних мереж.

Сучасні робочі еталони відрізняються високим класом точності, високою за  рівнем (більше 1 мНц) і стабільною вихідною частотою, пропорційною до вимірюваної потужності, наявністю компаратора вихідних частот еталону та робочого лічильника і іншими додатковими функціями, відсутніми в робочих засобах обліку електроенергії. Вузли, які виконують ці функції, органічно вписуються в структури засобів вимірювання і являються невід’ємними їх  частинами. Наприклад, визначення похибок лічильників, які перевіряються, неможливе без вмонтованого в еталон багатоканального частотоміру з основною похибкою не більше ніж 0,002%. З метою скорочення апаратних витрат інстоляцію програми роботи частотоміру доцільно здійснювати в процесорі, в якому  відбувається вимірювання всіх параметрів мережі. Таким чином, як функціонально так і апаратно нові функції еталонів поєднуються в одному мікроконтролері, що дозволяє зменшити споживання, габарити та вагу робочих еталонів.

Запропонована структура вимірювача частоти (рис. 12) працює таким чином.

На рахунковий вхід 16-ти розрядного таймера-лічильника Tmr надходять імпульси з частотою Fclk від внутрішнього генератора мікроконтролера, що синхронізується кварцовим резонатором. Переповнення Tmr встановлює в контролері переривань тригер TFtmr (для другого таймера-лічильника це біт у регістрі керування T2CON), при цьому викликається апаратне переривання IntTmr, що запускає одноіменну процедуру обробки переривання.

Рис. 12. Структура мікроконтролера і87C52 яка

   забезпечує вимірювання частоти

Tmr - таймер-лічильник, Rg - регістр фіксації подій, Т, Т1, Т2, N - регістри пам'яті, Сnt1, Cnt2 - лічильники, 1 і 2 - елементи затримки.

Розроблено  алгоритм  обчислення  частоти  мікроконтролерного  частотоміру (рис. 12)

Виведено вираз для частоти Fx лічильника, яка знаходиться за допомогою мікроконтролера,

      (23)

де Fclk  - внутрішня тактова частота мікроконтролера,  N -  кількість  вхідних імпульсів між  моментами часу t1 і t2; t1, t2  - моменти часу початку відліку і появи останнього імпульсу, відповідно; Д1, Д2 –  зсуви часу моментів відліку.

Визначено основні чинники впливу на точність її вимірювання.

Запропоновано кілька структур перетворювачів код-частота імпульсів (ПКЧІ), які дозволяють збільшити до кількох мГц вихідну частоту еталону та забезпечити її високу стабільність. Досліджено похибки перетворювачів на основі накопичу- вального суматора,  відємного лічильника і комбінованого ПКЧІ (рис. 13).

Рис. 13. Комбінований перетворювач код-частота імпульсів

СмН - накопичувальний  суматор, CT2 - від’ємний лічильник, ГПІ - генератор поодиноких імпульсів, & -елемент "І".

Показано, що найменшу похибку перетворення має комбінований ПКЧІ,  яка обчислюється за формулою

                                                                     (24)

де Fo – частота синхронізації, k – розрядність накопичувального суматора, Fn - необхідна частота вихідних імпульсів.

Реально досягнуто точності перетворення коду в частоту на рівні 0.0000015%.

На основі аналізу динамічної похибки багатоканального АЦП запропоновано  метод корекції динамічної похибки багатоканального АЦП, викликаної впливом результатів перетворення попередньої вибірки сигналу на результат перетворення наступної вибірки, який дозволив в 3 рази знизити цей вплив і розширити дина-мічний діапазон робочих сигналів аналого-цифрових перетворювачів в межах кож-ного піддіапазону вимірювання струмів і напруг. Запропонована структурна схема корекції динамічної похибки багатоканального АЦП, яка представлена на рис. 14.

Рис. 14.  Структурна схема багатоканального АЦП

Км – комутатор, МК –мікроконтролер з інтегрованим АЦП , Рг - регістр, ОП1- ОП4 - операційні підсилювачі, Кл1-Кл4 - ключі,  С1, С2 - конденсатори запам’ятовуючо-го пристрою, Тг – лічильний тригер, R1-R8 – резистори.

   П’ятий розділ присвячений розробці принципів побудови прецизійних джерел параметрів електроенергії.

   У роботі запропоновано універсальний принцип відтворення ПЯЕ шляхом формування строго симетричної за основною гармонікою трифазної системи напруг, амплітуди і фазові кути яких стабілізуються на номінальному рівні з похибкою 0,01%. Відтворення ПЯЕ здійснюється завдяки  зміні на нормовану величину однієї або декількох фазних напруг за амплітудою, фазовим кутом, частотою або формою за допомогою додаткової системи регульованих напруг, яка додається до основної.

На підставі цього принципу автором запропоновані дві схеми прецизійного джерела величин ПЯЕ. Перший спосіб заснований на додаванні основної і додаткової систем напруг на виході (рис. 15). Як джерело основної системи напруг використовується пристрій, що працює в режимі відтворення нульових значень ПЯЕ. Другий спосіб базується на підмішуванні додаткової систем напруг до основної  на вході і відніманні її на виході, що забезпечує значно більшу точність нормування ПЯЕ.

Рис. 5. Блок-схема джерела ПЯЕ, яке реалізує

      метод  підсумовування  по  виходу

ТГ - трифазний генератор; СОГ1–СОГ3 - стабілізатори основної гармоніки в кожній фазі з вихідними трансформаторами Тр1–Тр3 на виході; ФП1–ФП3 - функціональні перетворювачі; ІН - індикатор нуля.

Вихідні сигнали такого пристрою будуть визначатися виразами:

                                                                                  (25)

де  UAH = UBH = UCH = UH — номінальне значення амплітуди фазних напруг; 1 — частота основної гармоніки.

Система додаткових напруг на виходах ФП1, ФП2, ФПЗ синфазна з основною системою (25) і дорівнюватиме

                                                                           (26)

де , ,  — напруги основної гармоніки на виходах додаткових обмоток W3 відповідних трансформаторів.

Додавання основної (25) і додаткової (26) систем напруг здійснюється способом послідовного включення основної обмотки W2 трансформатора і відповідного ФП.  Результуюча система напруг має вигляд

                                                       (27)

Окреме відтворення двох систем напруг дозволяє з високою точністю (за допомогою індикатора нуля ІН) пронормувати симетрію основної системи напруг, а показник якості електроенергії, обумовлений додатковою системою, вимірювати безпосередньо за допомогою зразкового вольтметра. Відносна похибка нормування ПЯЕ за цих умов дорівнює

                                                                                                   (28)

де цим - відносна похибка симетрування основної трифазної системи напруг; ОП - відносна похибка вимірювання зразкового приладу. Такий метод нормування дозволяє знизити похибку відтворення ПЯЕ в порівнянні з методами прямого вимірювання в  разів.

Автором запропоновано структурну схему багатофазного вимірювального генератора (БФГ) на основі мікроконтролера, за допомогою якого задаються трифазні системи напруг і струмів із заданими значеннями амплітуд гармонік і кутів зсуву фаз. Такі генератори (рис. 16) з підсиленим виходом можуть використовуватися для моделювання параметрів трифазної мережі, зокрема різних значень показників якості електроенергії, і дослідження їхнього впливу на різне устаткування. У загальному випадку вихідні сигнали БФГ описуються залежностями:                      

             (29)

де uA(t), uB(t), uC(t), iA(t), iB(t), iC(t) – миттєві значення вихідних сигналів БФГ, UAk, UBk, UCk, IAk, IBk, ICk, ШUAk, ШUBk, ШUCk, ШIAk, ШIBk, ШICk – амплітуди і початкові кути зсуву фаз k-их гармонік фазних напруг і струмів, Kmax – найбільший номер гармоніки, що задається, = 2р f1, де f 1– частота першої гармоніки.

Рис. 16. Багатофазний генератор на основі мікроконтролера

МК - мікроконтролер, ОЗП - оперативний запам'ятовуючий пристрій, ПЗП - пості-йний запам'ятовуючий пристрій, РгА - регістр адреси, ДшА - дешифратор адреси, РКІ - рідинно-кристалічний індикатор, ЦАП1..ЦАП6 – цифро-аналогові перетво-рювачі, ДОН - джерело опорної напруги, ФНЧ1…ФНЧ6 – фільтри нижніх частот.

Запропонована  структурна  схема  (рис. 17),  автоматизованої метрологічної

установки яка дозволяє за програмою моделювати робочі точки, налагоджувати прилади, документувати та роздруковувати протоколи випробувань.  

Автором запропоновано новий метод відтворення величини змінної напруги, заснований на застосуванні інерційних елементів коливального контуру  для  безпо-

Рис. 17. Структурна схема автоматизованої установки для перевірки

             засобів вимірювання  параметрів трифазної мережі

БГ - багатофазний генератор, М - еталонний мультиметр, ДО - досліджуваний об'єкт, ПК - персональний комп'ютер, АСП - адаптер струмової  петлі .

середньої передачі точності від джерела постійної напруги до джерела змінної нап-руги. Схема пристрою, який описує принцип дії цього методу, представлено на рис. 18. Рис. 18. Калібратор змінної напруги

ДKПН – джерело каліброваної постійної напруги, Км1- Км6 - комутатори, С1, С2 -  конденсатори, L -  котушка індуктивності, ФП - фазоповоротний  пристрій на ,  ПЧ - подільник частоти, ФІ - формувач імпульсів, І - інвертор.

Шостий розділ присвячений аналізу впливу режимів роботи електричних ме-реж на точність вимірювання її параметрів, способам компенсації підмагнічування за допомогою багатоконтурних структур із зворотним зв’язком, дослідженням  стійкості цих структур та динамічних похибок.

На основі аналізу впливу підмагнічування на характеристики магнітних матеріалів (рис. 20) автором доведено суттєве збільшення похибки вимірювальних трансформаторів струму (ВТС) із знаком «мінус», що призводить до неповного обліку ЕЕ.

                                                               

Рис. 20. Залежність вихідних струмів ВТС від рівня

            підмагнічування осердя магнітопроводу

Експериментальні дослідження впливу підмагнічування на метрологічні характеристики вимірювальних трансформаторів струму проведені автором на запропонованій ним структурній схемі, зображеній на рис. 21.

Випробування проводились з ВТС, виготовлених на магнітопроводах з електротехнічної сталі та аморфного заліза. В результаті експериментальних досліджень встановлено, що за умови досягнення рівня амплітуди пульсуючого струму у 300А, від’ємна похибка ВТС на основі  осердь з електротехнічної сталі досягла 36,7 %, а від’ємна похибка ВТС на основі  осердь з аморфного заліза – 90,9%. З цього випливає, що облік електричної енергії провадиться  засобами, які не відповідають вимогам нині діючих стандартів. Особливо це стосується засобів обліку трансформаторного включення.

Автором запропоновано спосіб компенсації впливу підмагнічування на метрологічні  характеристики  ВТС,  принцип  дії  якого  пояснюється  структурною

Рис. 21.  Стрктурна схема випробовувальної установки

РДС - регульоване  джерело струму, ДН - джерело напруги, ЕЕЛ - еталонний електролічильник, ДР - діодний розгалужувач, ВВТС - випробовуваний  вимірю-вальний  трансформатор струму, ЕН - еквівалент  навантаження, НР -  наванта-жувальний резистор, ВЗС - вимірювач змінного струму.

схемою,  представленою на рис. 22. Активний трансформатор  струму має дві обмотки  компенсації. Перша  призначена  для  компенсації  змінного  магнітного потоку  осердя, викликаного  вхідним  змінним  струмом, а  друга – для  компенсації

постійного магнітного потоку, який  призводить до нелінійних спотворень вихідного сигналу ТС. Виникає нерівність позитивної й негативної півхвиль напруги вторинної обмотки. Різниця між півхвилями напруги, яка виділяється за допомогою

ТС - трансформатор струму, ПЗС - підсилювач змінного струму, АД - амплітудний детектор, ППС - підсилювач постійного струму, ФНЧ - фільтр нижніх частот, ПІ – підсилювач-інвертор.

двох   амплітудних  детекторів   практично  пропорційна   постійній   складовій,  яка

викликала  підмагнічування.  Різницева  напруга  постійного струму  підсилюється в

ППС, інвертується в ПІ, поступає на компенсаційну обмотку W3 і розмагнічує осердя,  повертаючи  робочу  точку  ТС  на  лінійну  ділянку характеристики. Таким

чином, додаткова похибка, обумовлена наявністю постійної складової вхідного струму ВТС, зменшується до допустимого рівня.  Компенсація підмагнічування осердя відбувається незалежно від джерела підмагнічування: постійного вхідного  струму ВТС чи від постійного магнітного поля.  

Замкнуті системи з  нелінійними елементами, охоплені кількома зворотними зв’язками, тяжіють до збудження. Тому виникла необхідність у дослідженні стійкості схеми прецизійного трансформатора струму з компенсацією впливу постійної складової струму.

В результаті лінеаризації схеми ВТС та приведення її до одноконтурної отримано функціональну схему (рис. 23), придатну для аналізу стійкості.  

   

Рис. 23. Функціональна схема, сформована для аналізу стійкості

Проведено дослідження впливу обвідних на точність вимірювання параметрів електроенергії та аналіз динамічної похибки вимірювання замкнутих структур.

Сьомий розділ розкриває особливості та технічні характеристики розроблених і впроваджених на основі теоретичних результатів попередніх розділів адаптивних засобів вимірювання та відтворення параметрів електричної енергії. Їх Державні приймальні та контрольні випробування, Державна метрологічна атестація і промислова експлуатація на протязі 15 років підтвердили правильність одержаних теоретичних результатів.

Вперше в Україні розроблені та впроваджені в серійне виробництво промислові багатофункціональні електролічильники трансформаторного включення класів точності 0,2S; 0,5S; 1,0 і 2,0.

Вперше в світі розроблені та впроваджені в серійне виробництво промислові лічильники  електроенергії прямого включення на робочий струм від 0,02А до 200А.

Вперше в Україні розроблені та впроваджені в серійне виробництво побутові  багатофункціональні електролічильники на робочий струм від 0,02А до 120А.

Вперше в Україні виготовлено і впроваджено понад 100 робочих еталонів електричної потужності і енергії першого, другого і третього розрядів класів точності 0,02; 0,05; 0,1 і 0,2, відповідно.

Вперше в світі виготовлено і впроваджено понад 10 робочих еталонів показників якості електричної енергії класу точності 0,05.

Вперше в Україні виготовлені і впроваджені портативні та стаціонарні одно – та багатофазні вимірювальні джерела напруг і струмів з вихідною потужністю від 50 до 1000 Вт.

Вперше в світі розроблені і впроваджені автоматизовані метрологічні установки на струми до 200А і 500А.

Вперше в світі розроблені, виготовлені і впроваджені стабілізоване трифазне джерело СТИ-1 та перевірочний комплекс У4330/1;

Загалом виготовлено і експлуатується в промисловості більше 50 тисяч засобів вимірювання параметрів електроенергії та їх метрологічного забезпечення.

На основі робіт з систематизації засобів вимірювання в електроенергетиці та аналізу результатів дисертаційної роботи проведено прогнозування подальшого розвитку засобів вимірювання параметрів електроенергії, спрямованого на підвищення точності, розширення динамічного діапазону і функціональних можливостей засобів вимірювання в електроенергетиці.

В додатках вміщені акти Державних приймальних та контрольних випробувань, сертифікати затвердження типу засобів вимірювальної техніки та відповідності, свідоцтва про державну метрологічну атестацію, протоколи випробувань,  акти впровадження, довідки про економічну ефективність.

ВИСНОВКИ

     У дисертаційній роботі поставлена та вирішена актуальна науково - прикладна проблема – створення принципів побудови і забезпечення необхідного рівня метрологічної надійності засобів вимірювання параметрів електроенергії в умовах багатократного перевищення неінформативних параметрів над інформативними та дії декількох груп різнорідних факторів впливу у широкому динамічному діапазоні. Результати роботи покладені в основу нових серійних   вимірювальних приладів, інформаційно – вимірювальних систем та еталонів, адаптованих до режимів електричних мереж, а також використані для покращення метрологічних характеристик існуючих вимірювальних зacoбiв. Основними з цих результатів є наступні:

1. На основі аналізу узагальненої структури засобів вимірювання параметрів електричної енергії з цифровою обробкою сигналів визначено основні впливи величин, що діють на ці засоби, та показано, що загальним принципом досягнення їхньої iнваpiaнтнocтi є кибернетичний принцип  адаптації до рівня інформативних параметрів та компенсації неінформативних параметрів.

2. Розроблені і досліджені методи корекції мультиплікативної та адитивної похибок засобів обліку електричної енергії та побудовані на цій основі нові алгоритми їх функціонування, що дозволило вперше  створити в Україні робочий еталон електричної потужності і енергії класу точності 0,02 та  розширити діапазон робочих струмів до 12000%.

3. Вперше встановлено та доведено необхідність і можливість компенсації неінформативного параметру та автоматичне його регулювання для компенсації за амплітудою і кутом зсуву фаз. Показано, що інваріантність до неінформативних параметрів є необхідною умовою досягнення високої точності вимірювань симетричних та гармонічних складових сигналів електричної мережі, а показник зменшення рівня неінформативного параметра по відношенню до інформативного має становити не менше ніж  100 разів.

4. Доведено необхідність та запропоновано структурні схеми адаптації вимірювальних перетворювачів параметрів електричних мереж до змін частоти завдяки запровадженню її цифрового помноження.

5. Розвинуто метод дискретного перетворення Фур’є стосовно перетворення  реактивної потужності та фільтрації основних гармонік симетричних складових трифазної напруги та струму. Запропоновані алгоритми мікропроцесорної обробки цих параметрів електричних мереж.

6. На основі аналізу похибок перетворювачів код-частота імпульсів розроблено і досліджено принципи побудови, створено структурні схеми та алгоритми роботи мікропроцесорних робочих еталонів електричної потужності, енергії та показників її якості.

7. Розроблено нові методи завдання малих інформативних ПЯЕ на тлі великих неінформативних шляхом послідовного підмішування , компенсації та симетру-вання основної багатофазної  системи сигналів основної гармоніки мережі.

8. Розроблено та експериментально досліджено ітеративний метод та алгоритм автоматизованого моделювання статичних параметрів багатофазної системи напруг і струмів для імітації режимів перевірки робочих засобів вимірювання кількісних  та якісних параметрів ЕЕ на основі  цифрового керованого генератора.

9. Вперше запропоновано метод перенесення точності від джерела каліброваної постійної напруги до джерела змінної напруги, оснований на властивості інерційності реактивних елементів коливального контуру, як засобів перенесення високої точності та досліджено характеристики відтворюваних сигналів.

10. Вперше запропоновано метод компенсації впливу підмагнічування на метрологічні характеристики вимірювальних трансформаторів струму, принцип дії якого грунтується  на компенсації постійного  магнітного потоку осердя шляхом формування і введення сигналу підмагнічування протилежного напрямку.

11. Результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволили вперше запровадити у серійне виробництво в Україні  трифазні та однофазні багатофункціональні лічильники електроенергії з одночасним аналізом її якості типів ЕТ, ZET та ЕТО, вперше створити робочі еталони потужності, електричної енергії та параметрів її якості першого СТО-4Y7E, СТО-3Y8E, другого СТО-2Y8E та третього розрядів СТО-1Y8E з розширеними робочими діапазонами напруг, струмів і частот та унікальну робочу міру завдання параметрів якості електроенергії, вперше створити керовані за програмою одно - та багатофазні джерела струму і напруги ДНСТ-3 для імітації режимів роботи електричних мереж та унікальні автоматизовані установки УАП-3 для перевірки засобів вимірювання електричної енергії та потужності  в діапазоні струмів до 500А. Всього на кінець 2009 року закритим акціонерним товариством „Електровимірювальні інструменти” (м. Київ) виготовлено та поставлено організаціям та підприємствам України і за кордон більше 50 тисяч приладів, еталонів та установок, в яких використані результати даної роботи. Підтверджений економічний ефект від впровадження результатів досліджень тільки на підприємствах Держводгоспу України склав за один 2002 рік понад 3 млн. гривень.

12. Результати дисертаційної роботи, а саме: методи відтворення електричних величин можуть бути в подальшому застосовані для створення та зберігання Національних еталонів України електричної потужності та енергії, її показників якості організаціями Держспоживстандарту України, методи адаптації засобів вимірювання до режимів роботи мережі планується використовувати в підприємствах НЕК «Укренерго» для створення систем технічного та комерційного контролю за процесами електропостачання, методи фільтрації основної та вищих гармонічних складових мережі планується впровадити в підприємстві «Спектр» (м. Київ), яке веде активно роботи по виготовленню фільтро - симетруючих пристроїв. Планується також впровадження теоретичних результатів роботи за контрактами з українськими та зарубіжними фірмами. Низка теоретичних положень дисертації може бути використана в учбовому процесі вищих навчальних закладів, наприклад, в курсах „Електричні і магнітні вимірювання”, „Інформаційно-вимірювальні системи” , „Метрологія”, „Електротехніка”, під час підготовки магістрів й аспірантів з цих спеціальностей.

Основні публікації за темою дисертації

  1.  Брайко В.В. К вопросу об определении симметричных составляющих и несинусоидальности напряжения трехфазной сети на ЭВМ / В.В.Брайко, И.П.Гринберг, С.Г.Таранов, О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик, Р.Б.Хусид // Проблемы технической электродинамики. - 1979. - вып. 70. - С. 74-78.

2. Карасинcкий О.Л. Об одном методе коррекции коммутационных погрешностей в многоканальных АЦП / О.Л. Карасинcкий, М.В. Зайков, Ю.Ф. Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - Темат. вип. «Енергоефективність». - 2000. - С. 105 - 108.

3. Карасинский О.Л. Анализ погрешностей преобразователей код-частота импульсов / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик // Технічна електродинаміка. - 2000. - N4. - С. 73-75.

     4. Карасинский О.Л. Алгоритм измерения мощности, ориентированный на реализацию в микроконтроллерах / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик // Технічна електродинаміка. - 2001. - №1. - С. 76 -78.

     5. Карасинский О.Л. Структурная схема и алгоритм построения микроконтроллерного измерителя частоты импульсов/ О.Л. Карасинский, Ю.Ф. Тесик //Технічна електродинаміка. -  2001. - N2. - С. 63-67.

  1.  Карасинский О.Л. Алгоритм измерения реактивной мощности, ориентированный на реализацию в микроконтроллерах /О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик // Технічна електродинаміка. -  2001. - N4. - С.76-78.

7.  Карасинский О.Л. Многофазный  генератор для моделирования параметров трехфазной сети / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - Темат. вип. «Електротехніка». - 2001. - С. 98-104.

  1.  Карасинcкий О.Л.    Програмно  -  аппаратная     реализация     умножителей    частоты   / 

О.Л. Карасинcкий, Ю.Ф. Тесик // Электронное моделирование. – 2002. - №1. - С. 119-124.

  1.  Карасинcкий О.Л. Влияние динамических характеристик электронных счетчиков на полноту учета  электрической энергии / О.Л. Карасинcкий, Ю.Ф. Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2002. - №2. - С. 91-94.
  2.  Карасинский О.Л. Организация  сопряжения  измерительных  приборов с ПЭВМ / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик, И.О.Карасинский, А.Ю.Супаков  // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2002. - №3. - С. 120-124.

      11. Брайко В.В. Структурные методы построения прецизионных источников нормированных значений высших гармоник / В.В.Брайко, О.М.Мирфайзиев, С.Г.Таранов, Ю.Ф.Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2003. - № 2(5). - С. 3–7.

      12. Таранов С.Г. Принципы построения прецизионных источников статических показателей качества электроэнергии / С.Г.Таранов, В.В.Брайко, Ю.Ф.Тесик, О.М.Мирфайзиев// Технічна електродинаміка. – 2003. - № 4. - С.73–76.

      13. Карасинский О.Л. Микропроцессорный измерительный преобразователь параметров электрических сетей / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик // Технічна електродинаміка. - 2003. - №5. - С. 69-75.

      14.  Taranov S. Estimation of dynamic error for multi-loop measuring systems./ S. Taranov , Y. Tesik, A. Olencki // Przeglad elektrotechniczny R:LXXIX 7-8. - 2003. -  Р. 508-510.

15. Карасинский О.Л. Анализ влияния подмагничивания на метрологические характеристики трансформаторов тока / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик, В.В. Ткаченко // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2004. - № 3. - С. 99-102.

16. Тесик Ю.Ф. Структурные методы повышения точности измерения показателей качества электроэнергии / Ю.Ф. Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2005. - № 2(11). - С. 87-88.

17. Тесик Ю.Ф. Применение дифференциального метода к измерению показателей качества электроэнергии / Ю.Ф.Тесик// ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2005. - с. 98-104.

18. Карасинский О.Л. Алгоритм калибровки многофазного генератора для моделирования параметров трехфазной сети / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик //  Технічна електродинаміка. - 2006. -№5. - С. 77-79.

19. Тесик Ю.Ф. Развитие структурных методов повышения точности измерения симметричных составляющих трехфазного напряжения. / Ю.Ф.Тесик // НАУ: Електроніка та системи управління. - 2006. - № 1(7). - С. 44-49.

20. Карасинский О.Л.  Автоматизированная система поверки счетчиков электроэнергии (СЭЭ). / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2007. - Ч. 2. №1(16). - С. 122-124.

21. Карасинский О.Л. Аналіз стійкості багатоконтурних вимірювальних трансформаторів струму з розширеним робочим діапазоном / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик, В.В.Ткаченко // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - 2007. - Ч.2. - №1(16). - С. 122-124.

22. Карасинский О.Л. Систематизация средств учета  электроэнергии непосредственного включения / О.Л.Карасинский, Ю.Ф.Тесик, В.В.Ткаченко //  ІЕД НАН України: Зб. наук. праць.- 2008. - № 20 - с. 14-16.

23. Тесик Ю.Ф. Структурные методы повышения точности определения  параметров высших гармоник сети. / Ю.Ф.Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - Темат. випуск.  „ Електротехніка”. -  2009. - С. 98-104.

24. Тесик Ю.Ф. Прецизійний калібратор  змінної напруги на основі методу безпосереднього  відтворення величин постійної напруги/ Ю.Ф.Тесик // Технічна електродинаміка. - 2009. - № 2. - С. 75-78.

25. Карасинский О.Л. Принципы построения автоматизированных установок для поверки счетчиков электроэнергии / О.Л.Карасинский, С.Г.Таранов, Ю.Ф.Тесик // ІЕД НАН України: Зб. наук. праць. - Вип. 23. - 2009. - С. 91-96.

26. Пат. № 2531540 Франция. МКИ G 01 R 19/06, G 01 R 19/25. Procede de mesure des composantes symetriques des tension dun secteur poliphase et dispositif pour la mise en сeuvre de ce procede/ А.К. Шидловский, С.Г. Таранов, В.В. Брайко, И.П. Гринберг, О.Л. Карасинcкий,  Р.Б. Хусид, А.М. Невмержицький, Ю.Ф. Тесик, А.М. Цыганок, В.А. Ящук; заявл. 06.07.82;  опубл. 10.02.84 , BOPI “Brevets”, № 6 .

27. Пат. №3228200 ФРГ.  МКИ G 01 R 29/16, G01R19/25. Verfahren zum Messen symmetrischen Spannungskomponenten in einem Mehrphasennetz und Vorrichtungen zur Durchfuhrung des Verfahren/ А.К. Шидловский, С.Г. Таранов, В.В. Брайко, И.П. Гринберг, О.Л. Карасинcкий , Р.Б. Хусид, А.М. Невмержицький, Ю.Ф. Тесик, А.М. Циганок, В.А. Ящук; заявл. 28.07.82; опубл. 09.02.84.  

28. Пат. № 234592 ГДР, МКИ G 01R19/00. Mebinstrument fur die Geteparameter vom Electroenergie im Dreiphasennetz/ А.К. Шидловский, С.Г. Таранов, В.В. Брайко, И.П. Гринберг, О.Л. Карасинcкий, Ю.Ф. Тесик, Р.Б. Хусид, А.М. Невмержицкий, А.М. Цыганок, В.А. Ящук; заявл. 17.11.82; опубл.09.04.86.

29. Пат. № 234593 ГДР. МКИ G 01R 29/16. Verfahren zur Spannungszelegung eines Mehrphasenstromkreises die orthogonalkomponenten symmetrischer Folge/ А.К.Шидловский, С.Г. Таранов, В.В.  Брайко, И.П. Гринберг, О.Л. Карасинcкий, Ю.Ф. Тесик, Р.Б. Хасид; заявл. 29.10.82;  опубл. 09.04.86.

30. А.с.  № 251915 ЧССР, МКИ G 01R 19/00. Zpusob stanoveni parametru kvality elektricke energie trifazove site/ А.К.Шидловский, С.Г. Таранов, В.В. Брайко, И.П. Гринберг, О.Л. Карасинcкий, Ю.Ф. Тесик, Р.Б. Хусид, А.М. Невмержицкий, А.М. Цыганок, В.А. Ящук; заявл. 07.02.85; опубл. 25.07.88.

31. Пат. на кор. модель UA 27031 U Україна, МПК G 01R 21/06. Спосіб калібрування значення змінного сигналу/  Ю.Ф. Тесик (Україна(UA)); заявник і патентовласник Ю.Ф. Тесик (UA).  -№ u 200706856;  Заявл. 18.06.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл. №16.

32. Пат. на кор. модель UA 37410 U Україна, МПК G01R21/00. Пристрій для калібрування величини змінної напруги/ Ю.Ф. Тесик (Україна(UA)); заявник і патентовласник Ю.Ф. Тесик (UA). - № u 200808224; Заявл. 17.06.2008; опубл. 25.11.2008, бюл. №22.

33. Пат. на винахід UA 85632 UУкраїна, МПК G 01 R 35/00. Спосіб калібрування значення змінного сигналу/ Ю.Ф. Тесик (Україна(UA)); заявник і патентовласник Ю.Ф. Тесик (UA). - № а 200706855; Заявл. 18.06.2007; опубл. 10.02.2009, бюл. №14.

34. А.с. 995023 СССР. МКИ G 01 R 29/16.  Измеритель симметричных составляющих / В.В.Брайко,  Е.Н. Коцюба, И.П. Гринберг, С.Г. Таранов, Ю.Ф. Тесик (СССР).  -  № 3336804/ 18-21; заявл. 08.10.81; опубл. 07.02.83; Бюл. №5.

35. А.с. 1117541 СССР. МКИ G 01 R 29/16.  Способ разложения напряжений многофазной цепи на ортогональные составляющие симметричных последовательностей / А.К. Шидловский, С.Г. Таранов, В.В. Брайко, И.П. Гринберг, О.Л. Карасинский, Ю.Ф. Тесик, Р.Б. Хусид (СССР). - № 2607253/18-21; заявл. 20.04.78; опубл. 07.10.84; Бюл. № 37.

36. А.с. 1474562  СССР.   Устройство для измерения отклонений напряжения прямой последовательности / В.В.Качоровский,  Ю.Ф.Тесик,  А.А. Тычина. (СССР).  -  № 3812964/24-21; заявл. 14.11.84; опубл. 23.04.89; Бюл. №15.

37. А.с. 1596257 СССР. МКИ G 01 R 11/00. Устройство для измерения электрической энергии / А.И. Покрас, С.Г. Таранов, Ю.Ф. Тесик (СССР). - № 4418427/24-21; заявл. 04.04.88; опубл. 30.09.90, Бюл. № 36.

38. А.с. 1647443  СССР. МКИ  G 01 R 22/00. Цифровой  измеритель электрической энергии многофазной сети / А.И. Покрас, В.И. Пивовар, Ю.Ф. Тесик, О.Ю. Чурин (СССР).- № 4622932/21; заявл. 04.04.88;  опубл.07.05.91. Бюл.№17.

39. А.с.  1688169 СССР,  МКИ G 01R 11/00. Способ измерения электрической энергии многофазной сети/  А.И.Покрас, С.Г.Таранов, Ю.Ф.Тесик (СССР). - № 4439836/21; заявл. 14.06.88; опубл. 30.10.91, Бюл. № 40.

40. А.с. 1721519  СССР.  МКИ  G 01 R 11/00, 22/00. Электронный счетчик электроэнергии / А.И. Покрас, Ю.Ф. Тесик, О.Ю. Чурин (СССР). -  № 4736179/21; заявл. 05.09.89;   опубл. 23.03.92. Бюл.№11.

41. А.с. 1707557  СССР.  МКИ  G 01 R 21/00, 21/133. Цифровой многофазный преобразователь мощности в частоту / И.П. Абложявичус, А.И. Покрас, К.К. Тарасевич, Ю.Ф. Тесик, О.Ю. Чурин (СССР).  -  № 4736178/21; заявл. 05.09.89;   опубл.23.01.92. Бюл.№3.

АНОТАЦІЇ

Тесик Ю. Ф. Створення адаптивних засобів обліку і аналізу якості електроенергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.05 прилади та методи вимірювання електричних і магнітних величин. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2010.

 Дисертація присвячена розробці основ теорії, методів и принципів побудови цифрових засобів  вимірювання і відтворення  параметрів електричної мережі, які експлуатуються в умовах дії різних груп факторів впливу. Головна концепція такої побудови ґрунтується на досягненні інваріантності результату вимірювань до дії цих факторів. В роботі розвинуто теорію та розроблено принципи побудови засобів вимірювання параметрів ЕЕ, адаптованих до змін струмів, напруг, частоти мережі, зміщення „нуля” вхідних вимірювальних перетворювачів, кута зсуву фаз між напругами і струмами мережі.

Розроблено структурні методи підвищення точності вимірювання інформативних параметрів шляхом амплітудної та фазової компенсації неінформативних параметрів.

 Розвинуто метод дискретного перетворення Фур’є стосовно вимірювання  реактивної потужності та фільтрації основних гармонік симетричних складових трифазних напруг та струмів.

Розроблено та експериментально досліджено нові методи та алгоритми від-творення статичних параметрів багатофазної системи напруг і струмів для імітації режимів перевірки робочих засобів вимірювання кількісних  та якісних параметрів ЕЕ.

Проведено експериментальні дослідження зразків нових приладів, які підтвердили правильність наукових положень дисертаційної роботи.   

Ключові слова: вимірювання, еталони електроенергії, багатофазні генератори, показники якості, інваріантність,  корекція похибок.

Тесик Ю. Ф. Создание  адаптивных  средств  учета  и  анализа  качества электроэнергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по спе-циальности 05.11.05 — приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. — Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена разработке основ теории, методов и принципов пост-роения цифровых средств измерения и воспроизведения параметров электрической сети, которые эксплуатируются в условиях воздействия различных групп влияющих факторов. Основная концепция диссертационного исследования состоит в поиске путей адаптации измерительных устройств к воздействию влияющих факторов, яв-ляющихся характерными для режимов работы электрической сети, при одновремен-ном определении количественных и качественных параметров электрической энер-гии.

На основе анализа погрешностей цифровых  измерительных  приборов установ-лены  основные  причины  снижения точности и показано,  что общим принципом дос-тижения их инваpиaнтнocти являєтся  кибернетический принцип  адаптации к уровню информативных параметров.

В результате анализа структур для измерения гармонических и симметричных составляющих получены обобщенные матрицы выделения их аддитивных и мультипликативных погрешностей.

Развит дифференциальный метод измерения применительно к подавлению неинформативных параметров электрических сетей по амплитуде и их автосопро-вождения по углу сдвига фаз. Использование этих принципов уменьшает влияние неинформативных параметров более чем в 100 раз.

Разработаны структурные схемы микроконтролерных умножителей частоты, что  обеспечило синхронное квантование сигналов сети по уровню и дискретизацию во времени , являющихся  необходимыми условиями цифрового преобразования  по-казателей качества и реактивной мощности.  

Проведен  анализ динамической погрешности многоканального аналого-циф-рового преобразователя  и предложен метод ее коррекции, позволяющий в 3 раза уменьшить эту составляющую погрешности и расширить динамический диапазон рабочих сигналов АЦП.

На основе развития метода дискретного преобразования Фурьє применительно к выделению  параметров качества  электроэнергии (ПКЭ)  разработаны цифровые методы  обработки  сигналов,  позволяющие  выделять  основные ПКЭ и другие  параметры ЭЭ на основной  и высших гармонических  составляющих сети.

Разработан алгоритм измерения активной и реактивной мощности,  проведен анализ его методической  погрешности, показано, что   методическая погрешность проявляется в  виде  снижения влияния  мощностей высших  гармоник, причем это  влияние тем меньше, чем  больше число выборок.

На основе разработки микропроцессорных измерителей частоты и пре-образователей  код-частота импульсов созданы  и исследованы принципы построения рабо-чих эталонов электрической мощности, энергии и  показателей  качества.

Создан  новый  метод передачи  точности от  источников  калиброванного  постоян-ного напряжения к   источникам  переменного напряжения, основанный на свойстве инер-ционности реактивных элементов колебательного контура,  и исследованы  метро-логические характеристики возобновляемых сигналов.

Разработан и обоснован универсальный принцип построения прецизионных источников ПКЭ путем формирования строго симметричной по основной гармонике трехфазной системы напряжений, амплитуды и фазовые углы которых стабилизиру-ются на номинальном уровне с погрешностью 0,01%.

Развиты компенсационные методы воспроизведения с подавлением влияния неинформативных параметров электрических сетей по амплитуде и углу сдвига фаз. Использование этих принципов позволяет нормировать информативные параметры с точностью образцовых средств измерения.

Созданы  методы компенсации влияния подмагничивания на метрологические характеристики средств измерительных преобразователей тока путем введения ком-пенсационной обмотки тока подмагничивания.

Осуществлен итерационный метод воспроизведения параметров электричес-кой сети, основанный на пошаговой верификации моделируемых  рабочих точек многофазного источника переменных сигналов с данными прецизионного мульти-метра по основной и высшим гармоникам сети.  Благодаря этому удалось автомати-зировать  процесс настройки, поверки и документирования результатов измерений метрологических установок.

Результаты исследования замкнутых многоконтурных измерительных систем подтвердили их устойчивость при широком диапазоне изменения параметров иссле-дуемых структур под влиянием окружающей среды. Проанализирована динамиче-ская погрешность самонастраивающихся многоконтурных измерительных структур.   Проведена классификация по признакам средств учета и рабочих эталонов электроэнергии, измерителей ее показателей качества. Систематизирована информация о технических характеристиках измерительных приборов и средств метрологического обеспечения ведущих зарубежных фирм. Дан прогноз о перспективных направлениях  развития  средств и методов метрологического обеспечения электроэнергетики.

На основе метода адаптивного масштабирования созданы уникальные широ-кодиапазонные счетчики ЭЭ прямого включения на рабочий ток 200 А. Продолжа-ются работы над созданием  широкодиапазонных электросчетчиков с рабочим то-ком до 500А.  

Созданы эталоны и уникальные автоматизированные метрологические  установки, обеспечивающие поверку  упомянутых широкодиапазонных средств учета электроэнергии.

Приведены описания разработанных, изготовленных и внедренных в серийное и мелкосерийное производство измерительных приборов, систем и средств метроло-гического обеспечения.

Ключевые слова: измерения, эталоны электроэнергии, многофазные генераторы, показатели качества,  инвариантность,  коррекция погрешностей.

Tesyk Y. F. The creation of the adaptive instruments of metering quantity and quality indexes of electric power. — The manuscript.

Thesis for doctorate degree of technical sciences on speciality 05.11.05 – Devices and methods of measurement of electric and magnetic magnitudes. – The Institute of Electrodynamics of National Аcademy  of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

Dissertation is devoted to development of bases of theory, methods of  principles of construction of digital means of measuring and recreation  of parameters of electric network, which are used in the conditions of action of different groups of factors of influence. Main conception of such construction is based on achievement of invariance of results of measurings to the action of these factors.

 A theory and principles of construction of means of measuring of parameters of electrical power,  adapted to the changes of currents, voltages, frequency of network, displacement of „zero” of  measuring converters, of phaseshifting are developed.

The structural methods of increase of exactness of measuring of informing parame-ters by peak and phase compensation of uniformative electrical parameters are developed .

The method of discrete transformation of Fourier in relation to measuring  of reactive-power and filtration of basic harmonic of symmetrical components of three-phase voltages and currents is developed.

New methods and algorithms of recreation of static parameters of the multi-phase systems of voltages and currents for the imitation of the modes of verification of meters and means of measuring of  Indexes of Quality of electrical Power is developed and experimentally investigated.

Descriptions of the measuring devices, systems and means of the metrological equipment developed and applied in serial production are given.

Key words: Measurements, Standards of electrical Power, multi-phase Generators, Indexes of Quality, Invariance,  Error correction.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5487. Развитие ребенка дошкольного возраста как субъекта детских видов деятельности 52 KB
  Развитие ребенка дошкольного возраста как субъекта детских видов деятельности. Понятие субъекта деятельности. Показатели проявления субъектной позиции детьми дошкольного возраста в деятельности. Особенности освоения ребенком-дошкольником...
5488. Организация противоэпидемических и дезинфекционных мероприятий в очагах инфекционных заболеваний 79.5 KB
  Организация противоэпидемических и дезинфекционных мероприятий в очагах инфекционных заболеваний План: Определение понятий природный и эпидемический очаг. Роль амбулаторно-поликлинических учреждений в системе ПЭМ. Эпидемиологическо...
5489. Основные этапы развития экономической мысли 76.5 KB
  Основные этапы развития экономической мысли. Экономическая мысль Древнего мира и средневековья. Экономическая мысль нерегулируемых рыночных отношений. Экономическая мысль регулируемых рыночных отношений. Экономическая мысль...
5490. Основы молекулярной генетики 175.5 KB
  Основы молекулярной генетики Вопросы Строение и функции белка. Структурная модель ДНК Дж. Уотсона и Ф. Крика. Транскрипция. Процесс трансляции у эукариот. Сравнительная характеристика ДНК и РНК. Генетический код. Свойства генетического ко...
5491. Пиодермии. Чесотка. Педикулез 70 KB
  Пиодермии. Чесотка. Педикулез Определение Этиология Тактика среднего медицинского работника при данных заболеваниях Принципы лечения Особенности ухода за пациентами Диспансеризация Профилактика Пиодермия. Че...
5492. Формирование миссии и целей организации 75 KB
  Формирование миссии и целей организации План: Понятие миссии, факторы выработки миссии. Цели организации: понятие, направления целей, требования к целям. Формы и способы установления целей. ПОНЯТИЕ МИССИИ, ФАКТОРЫ ВЫРАБОТКИ М...
5493. Учение о клетке. Строение и функции клетки 64 KB
  Учение о клетке. Строение и функции клетки. План: Основные положения клеточной теории. Клеточная оболочка, ее строение и функции. Цитоплазма. Ядро, состав ядра, функции компонентов ядра. Органеллы с двумембранным строен...
5494. Брюшной тиф. Паратифы А и В. Сальмонеллезы. Дизентерия 113 KB
  Брюшной тиф. Паратифы А и В. Сальмонеллезы. Дизентерия Раздел Брюшной тиф Брюшной тиф - острая антропонозная инфекционная болезнь, характеризующаяся язвенным поражением лимфатической системы тонкой кишки, бактериемией, циклическим течением, явлен...
5495. Кинематический анализ механизмов. Цели и задачи кинематического анализа 551.23 KB
  Кинематический анализ механизмов. Цели и задачи кинематического анализа Кинематический анализ механизма - исследование его основных параметров с целью изучения законов изменения и на основе этого выбор из ряда известных наилучшего механизма. По...