PL229626B1 - Sposób i urządzenie do identyfikacji odbiorników energii elektrycznej - Google Patents

Abstract

Sposób polega na tym, że mierzy się sygnały prądu i napięcia(i(t), u(t)) zasilania sieci nn, i po próbkowaniu tych sygnałów w układach przetworników analogowo cyfrowych (3, 4), sygnały cyfrowe grupuje się w dwa wektory próbek (i(n), u(n)) odwzorowujących te sygnały w dziedzinie czasu, a otrzymane wektory próbek (i(n), u(n)) przekształca się w blokach przetwarzania FFT sygnałów (5, 6) w dwa dyskretne, zespolone sygnały widma obu sygnałów prądu i napięcia (IRE, URE) dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych. Te sygnały widma przekształca się w bloku obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej (7) w zespolone wartości impedancji i/lub admitancji (Z(n*fn), Y(n*fn)) dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych, charakteryzujące poszczególne odbiorniki. Na tej podstawie identyfikuje się stan włączenia/wyłączenia poszczególnych odbiorników. Urządzenie do identyfikacji odbiorników energii elektrycznej zawiera moduł pomiaru prądu (1) i moduł pomiaru napięcia (2), których wejścia połączone są z zaciskami sieci zasilającej i zaciskiem wejściowym sieci odbiorczej. Wyjście modułu pomiaru prądu (1) i wyjście pomiaru napięcia (2) połączone są poprzez przetwornik analogowo - cyfrowy (3, 4) i następnie blok przetwarzania FFT sygnałów (5, 6) z blokiem obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej (7).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do identyfikacji odbiorników energii elektrycznej stosowane, zwłaszcza w sieci zasilających niskiego napięcia, nn, do pomiaru zużycia energii elektrycznej.

Znany jest sposób identyfikacji odbiorników energii elektrycznej polegający na indywidualnym pomiarze energii elektrycznej poszczególnych odbiorników pracujących w sieci niskiego napięcia użytkownika końcowego, wymaga on jednak zainstalowania wielu urządzeń pomiarowych będących licznikami energii elektrycznej, w związku z tym jest to rozwiązanie bardzo kosztowne.

Znana jest również metoda umożliwiająca identyfikację odbiorników, polegająca na pomiarze sumarycznej energii elektrycznej sieci nn, w której pracują wspomniane odbiorniki oraz wykorzystaniu algorytmu np. algorytmu ukrytych modeli Markowa. Metoda ta wykorzystuje pomiary energii elektrycznej wykonane przez jedno urządzenie będące licznikiem energii, zainstalowanym w punkcie zasilania wspomnianej sieci. Co prawda ze względu na instalację jednego urządzenia pomiarowego koszt tego rodzaju rozwiązania jest niewielki, jednak metoda ta charakteryzuje się ograniczoną możliwością identyfikacji jedynie prostych odbiorników takich jak czajnik, grzejnik i nie sprawdza się w przypadku bardziej skomplikowanych urządzeń odbiorczych.

W przedstawionych powyżej metodach jako źródła danych, np. wartości zużytej energii elektrycznej, stosowane są znane liczniki energii elektrycznej umożliwiające wykonywanie pomiarów z czasem akwizycji liczonym w sekundach. Urządzenia te nie pozwalają więc na wykonywanie analiz z wykorzystaniem sygnałów o większych częstotliwościach, np. częstotliwościach harmonicznych sygnału 50 Hz, ponieważ bazują na wartościach energii wyliczanej z mierzonych sygnałów napięcia zasilania i prądu obciążenia.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do identyfikacji poszczególnych odbiorników energii elektrycznej dla określenia zużycia energii przez każdy z odbiorników pracujących w tej sieci i do wykonywania analiz z wykorzystaniem sygnałów o większych częstotliwościach.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że po próbkowaniu sygnałów prądu i napięcia w układach przetworników analogowo cyfrowych, sygnały cyfrowe grupuje się w dwa wektory próbek odwzorowujących te sygnały w dziedzinie czasu, a otrzymane wektory próbek przekształca się w blokach przetwarzania FFT sygnałów w dwa dyskretne, zespolone sygnały widma obu sygnałów prądu i napięcia dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych. Te widma obu sygnałów przekształca się w bloku obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej w zespolone wartości impedancji i/lub admitancji dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych, charakteryzujące poszczególne odbiorniki. Na tej podstawie identyfikuje się stan włączenia/wyłączenia poszczególnych odbiorników.

Istota urządzenia według wynalazku polega na tym, że wyjście modułu pomiaru prądu i wyjście modułu pomiaru napięcia połączone są poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy i następnie blok przetwarzania FFT sygnałów z blokiem obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej.

Wynalazek jest bliżej objaśniony przykładowo na podstawie rysunku, który przedstawia schemat blokowy urządzenia do identyfikacji odbiorników energii elektrycznej.

Zgodnie ze sposobem mierzy się sygnały prądu i napięcia zasilania sieci nn i próbkuje się w przetworniku analogowo cyfrowym o rozdzielczości co najmniej 12 bitów, z częstotliwością będącą wielokrotnością częstotliwości podstawowej sieci zasilającej oraz liczby 2^N, gdzie N jest liczbą naturalną większą od 4. Po próbkowaniu sygnałów prądu i(t) i napięcia u(t) w układach przetworników analogowo cyfrowych 3 i 4 sygnały cyfrowe grupuje się w dwa wektory próbek i(n) i u(n), odwzorowujących wspomniane sygnały w dziedzinie czasu.

Otrzymane wektory próbek przekształca się w blokach przetwarzania FFT sygnałów 5 i 6 w dwa dyskretne, zespolone sygnały widma obu sygnałów prądu i napięcia Ire i Ure dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych, będących wielokrotnościami częstotliwości znamionowej napięcia sieci elektroenergetycznej nn. Jednym ze sposobów, którym można tego dokonać, jest użycie algorytmu szybkiej transformaty Fouriera FFT (ang. Fast Fourier Transform), która oblicza wartości zespolone widma sygnału na podstawie jego wartości próbek.

Wartości zespolone widma sygnałów prądu i napięcia dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych będących wielokrotnościami częstotliwości znamionowej napięcia sieci elektroenergetycznej przekształca się w zespolone wartości impedancji i/lub admitancji Z(n*fn) Y(n*fn) przez podział przez siebie w bloku obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej 7. Powstałe tak zespolone

PL 229 626 B1 wartości impedancji i/lub admitancji charakteryzują, a więc identyfikują poszczególne odbiorniki. Na podstawie tych zmian identyfikuje się stan włączania/wyłączania poszczególnych odbiorników.

Do identyfikacji odbiornika wykorzystuje się skończony zbiór par liczb, wektorów, określających wartości rzeczywiste i urojone impedancji zespolonych poszczególnych harmonicznych częstotliwości podstawowej sieci zasilającej, wyliczanych na podstawie wartości zespolonych poszczególnych harmonicznych sygnałów prądów i napięć zasilających obliczanych np. z wykorzystaniem analizy Fouriera przeprowadzanej na liczbie próbek sygnałów prądów i napięć będącej wielokrotnością liczby 2^N, gdzie N jest liczbą naturalną większą od 4.

Sposób według wynalazku pozwala na detekcję stanu włączenia oraz wyłączenia poszczególnych odbiorników oraz jednoznacznie opisuje zidentyfikowane urządzenia za pomocą skończonych zbiorów wartości impedancji i/lub admitancji dla składowej stałej, częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych częstotliwości znamionowej sieci elektroenergetycznej nn. Po określeniu stanu włączenia/wyłączenia każdego z zainstalowanych odbiorników, istnieje możliwość określenia indywidualnego zużycia energii elektrycznej przez poszczególne odbiorniki pracujące w sieci elektroenergetycznej nn użytkownika końcowego. Wynika to wprost z charakterystyki odbiornika, która zdefiniowana jest przez jego transmitancję, widoczną dla przyrządów pomiarowych jako przebieg sygnału prądu pojawiający się w odpowiedzi na pojawienie się określonych wymuszeń w postaci napięć podstawowej oraz kolejnych harmonicznych.

Urządzenie przedstawione na rysunku w torze prądowym ma moduł pomiaru prądu 1, którego wejście połączone jest z zaciskiem napięcia zasilającego L1 i zaciskiem wejściowym L1 sieci odbiorczej O a wyjście połączone jest poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy 3 i następnie blok przetwarzania sygnałów 5 z blokiem obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej 7. Podobnie tor napięciowy ma moduł pomiaru napięcia 2, którego wejście połączone jest z zaciskiem napięcia zasilającego N i zaciskiem wejściowym Nj sieci odbiorczej O a wyjście połączone jest poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy 4 i następnie blok przetwarzania sygnałów 6 z blokiem obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej 7.

W wyniku działania elementów układu oraz jego algorytmów obliczeniowych na podstawie mierzonych sygnałów prądu i(t) i napięcia zasilania u(t) obliczane są wartości impedancji zespolonych Z i/lub admitancji zespolonych Y identyfikujące odbiornik.

Moduł pomiaru prądu 1 zamienia prąd obciążenia płynący do odbiornika na sygnał napięciowy i(t) z zakresu pozwalającego na poprawny pomiar w przetworniku analogowo-cyfrowym 3. Moduł pomiaru napięcia 2 przekształca napięcie zasilania występujące między zaciskami L1 i N czy L1 ’ i N’ na sygnał napięciowy u(t) z określonego zakresu pozwalającego na poprawny pomiar w przetworniku analogowo-cyfrowym 4. Przetworniki analogowo-cyfrowe 3 i 4 zamieniają ciągłe sygnały napięciowe i(t) i u(t) na dyskretne wartości liczbowe i(n) i u(n). Przetworniki analogowo-cyfrowe 3 oraz 4 są wyzwalane za pomocą jednego zegara i wykonują przetwarzanie w tej samej chwili czasu. Dyskretne wartości liczbowe przekazywane są do bloków przetwarzania sygnałów 5 i 6, gdzie obliczane są zespolone wartości widma sygnałów prądu i napięcia z wykorzystaniem algorytmu FFT. W bloku 7 dokonywana jest selekcja wartości zespolonych widm sygnałów oraz wyznaczane są wartości impedancji zespolonej lub admitancji zespolonej tzn. rezystancja, reaktancja, konduktancja i susceptancja, dla częstotliwości równej częstotliwości napięcia sieci elektroenergetycznej oraz jej wielokrotności.

Claims (2)

1. Sposób identyfikacji odbiorników energii elektrycznej polegający na tym, że mierzy się sygnały prądu i napięcia zasilania sieci nn, znamienny tym, że po próbkowaniu sygnałów prądu i napięcia w układach przetworników analogowo cyfrowych (3, 4), sygnały cyfrowe grupuje się w dwa wektory próbek odwzorowujących te sygnały w dziedzinie czasu, a otrzymane wektory próbek (i(n), u(n)) przekształca się w blokach przetwarzania FFT sygnałów (5, 6) w dwa dyskretne, zespolone sygnały widma obu sygnałów prądu i napięcia (Ire, Ure) dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych, które przekształca się w bloku obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej (7) w zespolone wartości impedancji i/lub admitancji (Z(n*fn), Y(n*fn)) dla częstotliwości podstawowej oraz kolejnych harmonicznych, charakteryzujące poszczególne odbiorniki i na tej podstawie identyfikuje się stan włączenia/wyłączenia poszczególnych odbiorników.

PL 229 626 Β1

2. Urządzenie do identyfikacji odbiorników energii elektrycznej zawierający moduł pomiaru prądu i moduł pomiaru napięcia, których wejścia połączone są z zaciskami sieci zasilającej i zaciskiem wejściowym sieci odbiorczej, znamienny tym, że wyjście modułu pomiaru prądu (1) i wyjście modułu pomiaru napięcia (2) połączone są poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy (3, 4) i następnie blok przetwarzania FFT sygnałów (5, 6) z blokiem obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej 7.