Библиографическое описание:

Иоффе А. М., Куц А. В., Куц М. Л., Пискаев К. Ю. Вопросы повышения точности АЦП в системах контроля показателей качества электроэнергии // Молодой ученый. — 2011. — №12. Т.1. — С. 24-27.

Проблема контроля качества электрической энергии всегда являлась актуальной и в настоящее время ей уделяется всё большее внимание. Это связано с тем, что использование современного технологического (станки и автоматизированные системы управления) и информационного оборудования (персональные компьютеры, сети и средства связи), приводит к увеличению потребления электрической энергии и повышении требований к её качеству, а также к необходимости использования более эффективных источников питания.

На рынке существует большое число устройств позволяющих, контролировать качество электроэнергии. Среди всего этого многообразия можно выделить как отдельные устройства, так и целые системыконтроля качества электроэнергии.

С точки зрения руководства предприятий контроль качества электроэнергии необходим, потому что электроэнергия низкого качества вызывает прерывание производственных процессов, приводящее к большим убыткам. Системы контроля качества электроэнергии помогают предотвратить опасность остановки производства,а так же необходимы для осуществления контроля и учета финансовых затрат на получение конечного продукта.

Использованиеавтоматизированных информационных систем обусловлено тем, что они могут гораздо быстрее и по большему количеству характеристик определить уровень качества поставляемой электроэнергии, а так же организовать не только контроль качества, но и контроль расхода энергоресурсов.

Анализ ряда публикаций [1-7] по теме показал наличие тенденции наприменение интеллектуальных информационных систем, позволяющих реализовать различные методы интеллектуальной обработки и анализа данныхдля мониторинга показателей качества электроэнергии (ПКЭ).Выражение «интеллектуальная система» сегодня применяют, чтобы представить любуюкомбинациюс использованием искусственных нейронных сетей, экспертных систем, систем нечеткой логики, а также других технологий, например, таких как генетические алгоритмы [7].

Очевидно, что в ближайшеевремя для контроля качества электрической энергии на предприятиях будут использовать полностью автоматизированные информационные системы, осуществляющиемониторинг ПКЭ с помощью различных интеллектуальных технологий анализа данных.Основными составляющими подобных систем выступают устройства первичного сбора (УПС) и центры обработки и анализа данных. Основные функции УПС целесообразно ограничить оцифровкой сигналов электрической энергии, их первичной обработкой и передачей в центр обработки и анализа, в качестве которого может использоваться вычислительный центр (ВЦ) предприятия. Уменьшение функций УПС и современный уровень развития элементной базы позволяет снизить стоимость и габаритные размеры данных устройств, что в свою очередь позволит использовать большее число УПС в составе системы, повысив её эффективность за счет увеличения числа точек контроля.

Повышение точности и, как следствие, эффективности работы рассматриваемых систем, возможно за счет повышения точности первичных измерительных данных, на основе которых производится вычисление ПКЭ, что подтверждается анализом работ[8,9].Врассмотренных публикациях, посвященных разработке интеллектуальных информационных системконтроля ПКЭ, вопросам построения УПС обеспечивающих повышенную точность первичных измерительных данных уделяется недостаточно внимания.

Точность получаемых вУПС цифровых сигналов определяется характеристиками аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и понижающего трансформатора, используемого для согласования сетевого напряжения с входным диапазоном АЦП. В данной работе рассмотрим вопросы повышения точности АЦП, считая, что имеем идеальный понижающий трансформатор.

Самыми точными АЦП на данный момент являются АЦП ссигма-дельта архитектурой (ΣΔ-АЦП). Однако особенностью данной архитектуры является повышение точности преобразования,за счет увеличения времени преобразования, что влечет за собой понижение быстродействия. В таблице 1 приведены технические характеристики ряда интегральных микросхем ΣΔ-АЦП [10,11], иллюстрирующие данную особенность. Из таблицы видно, что эффективная разрядность АЦП уменьшается с увеличением частоты дискретизации преобразуемых сигналов.

Таблица 1

Зависимость точностных характеристик микросхем ΣΔ-АЦП от частоты преобразования

Модель АЦП

Характеристики

AD7791

Эффективная разрешающая способность:

22 бита, при частоте 9,5 Гц

20 бит, при частоте 33,3 Гц

18 бит, при частоте 120 Гц

AD7195

Эффективная разрешающая способность:

24 бита, при частоте 4,7 Гц

20 бит, при частоте 4,8 кГц

AD7765

Динамический диапазон:

115 дБ, при частоте 78 кГц

112 дБ, при частоте 156 кГц

ADS1274

Отношение сигнал/шум:

111 дБ, при частоте 52 кГц

106 дБ, при частоте 144 кГц


Согласно ГОСТ 13109-97 и ГОСТ Р 51317.4.30-2008 анализу должны подвергаться сетевые сигналы в диапазоне до 3 кГц. Для анализа сигналов с целью вычисления ПКЭ необходимо обеспечить получение как минимум 8-10 отсчетов на период анализируемого сигнала, а,следовательно,частота дискретизации должна быть более 25 кГц.

В линейке микросхем АЦП компания AnalogDevices (одного из лидеров в отрасли производства высокоточных АЦП) имеется серия интегральных микросхемADE, предназначенных для создания устройств контроля ПКЭ. Среди интегральных микросхем данной серии можно выделить модель ADE7754, как имеющую наиболее расширенный функционал для анализа сигнала электрических сетей и определения ПКЭ. В ADE7754 аналого-цифровое преобразование производится посредством ΣΔ-АЦП второго порядка, работающего на частоте передискретизации 833кГц и позволяющего оцифровывать входные сигналы с частотами 26кГц, 13кГц и 6,5 кГц [10].

Несмотря на то, что выходные кодовые слова представляют собой 24-разрядные числа, согласно особенностям сигма-дельта архитектуры и данным таблицы 1можно утверждать, что эффективная разрядность данной микросхемы в процессе эксплуатации будет ниже номинальной. Стоит вопрос о возможности повышения точности получаемой измерительной информации без изменения имеющейся структуры АЦП. Решение данной задачи возможно с помощью алгоритмов адаптивной обработки, предложенных в [14,15].

Проверка эффективности применения метода адаптивной обработки проводилась с помощью математической модели в среде математического моделирования MATLAB версии R2010b. Структурная схема модели показана на рисунке 1. Она состоит из источника входного сигнала, сигма-дельта модулятора первого порядка и усредняющего цифрового децимационного фильтра с АЧХ вида sin(x)/x. Использование в моделиданной структуры правомерно, так как алгоритм может аналогично применяться со структурами более высоких порядков и со сложными системами фильтрации, что обусловлено самим принципом используемой адаптивнойобработки.

x(t) – входной аналоговый сигнал; k – коэффициент передискретизации; fд, Tд – частота и период дискретизации входного сигнала; y(nTд) – выходной код преобразователя.

Рис. 1 – Структурная схема исследуемой модели ΣΔ-АЦП.

В качестве входного сигнала использовался полигармонический сигнал имитирующий сумму идеального сетевого напряжения с частотой 50Гц и 40-ой гармоникивеличиной 10% от сетевого напряжения (рисунок 2).Частота дискретизации fд выбрана равной 40 кГц, для получения 20 отсчетов цифрового сигнала на период 40-ой гармоники, а коэффициент передискретизации k = 100. Результаты математического моделирования приведены на рисунке 2.

а) Входной аналоговый сигнал.

б) Полученные после преобразования сигналы.

в) Графики абсолютной погрешности результатов преобразования.

Рисунок 2 – Результаты математического моделирования.

Проведенный анализ показал, что в рамках решаемой задачи, для повышения точности измерительной информации, могут быть использованы уже применяемые ΣΔ-АЦП совместно с методами адаптивной обработки. Адаптивная обработка производится в цифровом виде, что не требует изменения аналоговой части ΣΔ-АЦП (структуры модулятора, входных усилителей, источников опорных напрряжений и т.д.), и может выполнятся цифровым процессором, являющимся обязательнойсоставляющейлюбого ΣΔ-преобразователя.

Таким образом, при проектировании УПС систем контроля ПКЭ,повышение точности преобразуемых данных возможно за счет использования ΣΔ-АЦП более высокого класса точности. Однако данное решение может привести к увеличению конечной стоимости УПС, к тому же большинство высокоточных АЦП, представленных сегодня на рынке, не удовлетворяют решению поставленной задачи по быстродействию.Альтернативой может служить использование алгоритмов адаптивной обработки вуже применяемых ΣΔ-преобразователях, обеспечивающих необходимое быстродействие, хотя данное решение потребует больших затрат на процесс разработки.


Литература:

  1. М.Ю. Михеев, А.В. Коновалов, А.Г. Дмитриенко. Экспертная система контроля качества электрической энергии. // Труды международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии». – Пенза: Пензенская государственная технологическая академия, 2005г, вып. 2., с. 62-66.

  2. М.Ю. Михеев, А.В. Коновалов, А.Г. Дмитриенко. Имитационное моделирование системы контроля качества электрической энергии. // Труды международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии». – Пенза: Пензенская государственная технологическая академия, 2005г, вып. 2., с. 81-84.

  3. М.Ю. Михеев, А.Г. Дмитриенко, Т.В. Жашкова. Нейросетевая идентификация показателей качества электрической энергии. // Надежность и качество: труды Международного симпозиума:в 2-х томах/под ред. проф. Н.К.Юркова. – Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ. 2009. – 1 т., с. 439-441.

  4. О.В. Башкиров, П.П. Першенков, Е.А. Тюрин. Определение вклада потребителя в изменение показателей качества электрической энергии. // Надежность и качество: труды Международного симпозиума: в 2-х томах/под ред. проф. Н.К.Юркова. – Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ. 2009. – 2 т., с. 77-78.

  5. О.В. Башкиров, П.П. Першенков, Е.А. Тюрин. Один из путей повышения точности показаний счетчиков электрической энергии.//Надежность и качество: труды Международного симпозиума/под ред. проф. Н.К.Юркова. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005г, с. 362-365.

  6. К.С. Ефремов, В.К. Барсуков. Измерительная система для определения качества электрической энергии. // Труды международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии NationalInstruments». – Москва: Российский институт дружбы народов, 2006г, с. 200-207.

  7. Ю. Е. Варецкий, Т. И. Наконечный, Н. Д. Федонюк, В. А. Комар. Архитектура интеллектуальной системы мониторинга несинусоидальных режимов электрической сети. // Научные труды ВНТУ, № 1, 2010г.

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

  9. А.В. Кудашов. Измеритель параметров сетевого напряжения. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. – Пенза: Пензенский государственный университет, 2007г.

  10. Официальный сайт компании AnalogDevices: http://www.analog.com

  11. Официальный сайт компании TexasInstruments: http://www.ti.com

  12. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

  13. ГОСТ Р 51317.4.30-2008 (МЭК 61000-4-30:2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерения показателей качества электроэнергии.

  14. Юрманов В.А., Пискаев К.Ю., Куц А.В. ∑∆-АЦП: адаптивная обработка результатов преобразования. // Вопросы радиоэлектроники серия общетехническая выпуск 2, 2011г., с. 84-101.

  15. К.Ю. Пискаев, В.С. Подшивалов. Алгоритм адаптивной обработки для ΣΔ-АЦП на основе метода кодирования Лемпеля-Зива-Велча. // Молодой ученый.  2011. №9. С. 48-53.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle