PL B1. POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01R 21/00 ( ) G01R 21/133 ( ) G01R 23/20 ( ) G01R 27/00 ( ) (54) Urządzenie do detekcji zmian trybu pracy oraz identyfikacji odbiorników w sieci zasilania oraz sposób detekcji zmian trybu pracy oraz identyfikacji odbiorników w sieci zasilania (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 01/19 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/19 (72) Twórca(y) wynalazku: WIESŁAW WINIECKI, Warszawa, PL RYSZARD KOWALIK, Warszawa, PL AUGUSTYN WÓJCIK, Zabieżki, PL ROBERT ŁUKASZEWSKI, Warszawa, PL KRZYSZTOF DOWALLA, Ząbki, PL PIOTR BILSKI, Olsztyn, PL MARCIN JANUSZEWSKI, Sochaczew, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Marek Bury PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie oraz sposób do wykrywania zmiany stanu sieci oraz identyfikacji odbiornika będącego źródłem tej zmiany. Znany jest sposób identyfikacji źródła zakłóceń harmonicznych w sieci elektroenergetycznej polegający na pomiarze przepływu mocy czynnej dla poszczególnych harmonicznych, w której dominujące źródło harmonicznej można zlokalizować określając kierunek przepływu mocy czynnej dla tej harmonicznej. Znany jest też sposób, w którym mierzy się kierunek przepływu mocy biernej i impedancji krytycznej i na podstawie impedancji zastępczych określa się moc bierną wytworzoną przez źródło i na jej podstawie oblicza impedancję lub admitancję krytyczną, którą porównuje się ze znaną impedancją lub admitancją linii zasilającej odbiorcę. Umożliwia to wskazanie dominującego źródła harmonicznych. Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P znany jest sposób identyfikacji odbiorników energii elektrycznej polegający na tym, że mierzy się sygnały prądu i napięcia zasilania sieci niskiego napięcia, próbkuje je w układach przetworników analogowo cyfrowych i przetwarza na sygnały cyfrowe a następnie grupuje się w dwa wektory próbek odwzorowujących te sygnały w dziedzinie czasu, które przekształca się w widma i identyfikuje się odbiorniki na podstawie wyznaczonych na wybranych częstotliwościach admitancji lub impedancji. Z tego samego dokumentu znane jest urządzenie do identyfikacji odbiorników energii elektrycznej zawierające moduł pomiaru prądu i moduł pomiaru napięcia, których wejścia połączone są z zaciskami sieci zasilającej i wyjście modułu pomiaru napięcia połączone są poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy i następnie blok przetwarzania FFT z blokiem obliczeń impedancji i/lub admitancji zespolonej. Znane sposoby nie są dostatecznie precyzyjne i w niektórych okolicznościach, przy znacznej liczbie odbiorników mogą prowadzić do nieprawidłowych wniosków lub wymagają posiadana informacji o parametrach systemu elektroenergetycznego, którego dotyczą. Dodatkowym problemem są ograniczone możliwości prowadzenia identyfikacji w czasie ściśle skorelowanym z wystąpieniem zmiany stanu wynikające z ograniczonej rozdzielczości czasowej. Celem wynalazku jest rozwiązanie tych problemów i zapewnienie sposobu oraz urządzenia umożliwiającego wykrycie zmiany stanu sieci i identyfikację źródła zakłóceń. Urządzenie do detekcji zmian trybu pracy oraz identyfikacji odbiorników w sieci zasilania zawierające moduł pomiaru prądu zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że zawiera blok wyznaczania widma przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru prądu oraz blok wykrywania zmian sieci przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru prądu oraz dyskryminator połączony z blokiem wyznaczania widma oraz modułem pamięci mieszczącym zespół wzorców. Zastosowanie bloku wykrywania zmian sieci umożliwia skorelowania zmiany stanu sieci ze zmianą stanu urządzenia, które ją wywołało. Dzięki temu można zastosować precyzyjne transformacje czasowo-częstotliwościowe i dopasować widmo prądu mierzonego w trakcie zmiany stanu do jednego wzorca z zapisanego w pamięci zespołu wzorów widmowych urządzeń w trakcie zmiany stanu. Korzystnie blok wykrywania zmian sieci i blok wyznaczania widma przyjmują sygnał wyjściowy modułu pomiaru prądu za pośrednictwem przetwornika analogowo-cyfrowego o rozdzielczości większej lub równej 12 bitów i częstotliwości większej od 10 MHz. Zastosowanie przetwornika cyfrowego umożliwia przeprowadzenie transformacji widmowej w sposób cyfrowy zaś rozdzielczość 12 bitów i częstotliwość próbkowania większa od 10 MHz umożliwiają uzyskanie w ten sposób wysokiej precyzji identyfikacji urządzeń. Korzystnie blok wyznaczania widma jest przystosowany do wyznaczania transformaty falkowej w przynajmniej trzech zakresach częstotliwości. Transformata falkowa daje szczególnie dobrą precyzję zaś reprezentacja w trzech zakresach częstotliwości pozwala na wyznaczenie cech szczególnych większego zakresu urządzeń i w konsekwencji również przekłada się na precyzję. Korzystnie blok wykrywania zmiany stanu sieci zawiera filtr górnoprzepustowy przystosowany do filtracji sygnału wejściowego, korzystnie mający częstotliwość graniczną większą lub równa 30 khz. Sposób wykrywania zmian trybu pracy i identyfikacji odbiorników podłączonych do sieci zasilania obejmujący etap pomiaru prądu i(t) w sieci zasilania etap wykrywania momentu zmiany stanu sieci oraz etap identyfikacji odbiorników stanowiących źródło tych zmian, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że po etapie pomiaru prądu uzyskuje się sygnał reprezentujący i(t) reprezentujący przebieg prądu w czasie, a następnie wyznacza się jego widmo poczynając od momentu zmiany stanu sieci w odcinku

3 PL B1 3 czasu dłuższym lub równym 2 ms, a następnie widmo to porównuje się z zespołem wzorców i identyfikuje się odbiornik na podstawie najbardziej dopasowanego wzorca. Zmiana stanu sieci wiąże się ze zmianą trybu pracy. Obserwacja tej zmiany przez 2 ms dostarcza dość długich przebiegów by można było zidentyfikować odbiornik którego zmiana trybu pracy powoduje w konsekwencji zmianę trybu pracy sieci. Korzystnie widmo wyznacza się za pomocą transformaty falkowej, korzystnie przeprowadzanej w przynajmniej trzech zakresach częstotliwości, w których wyznacza się czas wystąpienia współczynnika falkowego o najwyższej amplitudzie (tx) oraz, częstotliwość współczynnika falkowego o najwyższej amplitudzie, częstotliwości brzegowe oraz pasmo na poziomie 0,9 maksymalnej amplitudy widma w czasie tx, częstotliwości brzegowe oraz pasmo na poziomie 0,5 maksymalnej amplitudy widma w czasie tx przy czym częstotliwości te które porównuje się z zespołem wzorców. Wynalazek umożliwia odbiornika energii elektrycznej, którego praca powoduje wytworzenie sygnałów zakłóceń impulsowych, na podstawie pomiarów przebiegu sumarycznego prądu zasilania sieci niskiego napięcia, w momentach zmian stanów odbiornika. Korzystnie wykrywanie zmiany stanu sieci przeprowadza się wykrywając w widmie sygnału prądu częstotliwości wyższe niż 30 khz. Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia według przykładu wykonania wynalazku włączonego do sieci zasilania. Urządzenie według wynalazku jest przystosowana do włączania do sieci zasilania i pozwala na identyfikację odbiornika energii elektrycznej, którego praca powoduje wytworzenie sygnałów zakłóceń impulsowych. Identyfikację przeprowadza się, na podstawie pomiarów przebiegu sumarycznego prądu zasilania sieci niskiego napięcia nn, w momentach zmian stanów odbiornika. Urządzenie w niniejszym przykładzie składa się z modułu pomiaru prądu 1, przystosowanego do przetwarzania prądu obciążenia płynącego do odbiorników na sygnał napięciowy i(t) z zakresu pozwalającego na poprawny pomiar w przetworniku analogowo cyfrowym 2 połączonym z modułem pomiaru prądu. Znawca jest bez trudu w stanie wybrać stosowną konstrukcję modułu pomiaru prądu z literatury, np. R. Kowalik, M. Januszewski, A. Smolarczyk: Cyfrowa elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa OWPW, 2006, ISBN: , rozdz Wejścia analogowe prądowe. Przetwornik analogowo-cyfrowy 2, przetwarza sygnał napięciowy i(t) na sygnał dyskretny i(n) z próbkowaniem 20 M próbek/s. Sygnał dyskretny i(n) z przetwornika analogowo-cyfrowego 2 jest doprowadzany do bloku wyznaczania widma 3 i bloku wykrywania zmiany stanu sieci 4 połączonych z wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego 2. Blok wyznaczania widma 3 w niniejszym przykładzie realizuje transformację falkową i zwraca amplitudy falek w trzech zakresach częstotliwości: PF1, PF2, PF3. PF1: od 994,72 khz do 5049,4 khz. PF2: od 40,05 khz do 150,12 khz. PF3: 599,2 Hz do 40,05 khz. Wynalazek można również zrealizować stosując inne zakresy częstotliwości lub nawet tylko dwa zakresy częstotliwości, chociaż w takim wypadku precyzja identyfikacji w stanie nieustalonym tj. w trakcie zmiany stanu sieci uległaby pewnej degradacji. Ważna jest obserwacja wysokich częstotliwości, co narzuca wymagania na częstotliwość próbkowania przetwornika. Szczególnie dobre wyniki w identyfikacji uzyskuje się, gdy częstotliwość próbkowania przekracza 10 MHz. Zastosowanie transformacji falkowej pozwala na bardziej precyzyjne niż w przypadku innych transformat wyznaczenie momentu wystąpienia zakłócenia zmiany stanu sieci. Zmiana stanu wiąże się z generacją w sygnale prądu składowych o wyższych częstotliwościach. W związku z tym blok 4 wyznaczania zmian stanu sieci w najprostszym przypadku implementuje się jako filtr górnoprzepustowy o częstotliwości granicznej 30 khz, którego wyjście jest połączone z detektorem. Jeżeli sygnał wyjściowy filtru górnoprzepustowego przekroczy określoną wartość przyjmuje się, że w chwili przekroczenia doszło do zmiany stanu sieci. Znawca jest w stanie bez trudu i rutynowo zaproponować liczne alternatywne konstrukcje bloku 4 wyznaczania zmian stanu sieci. Urządzenie według wynalazku jest zaopatrzone ponadto w pamięć 5 przystosowaną do mieszczenia wzorcowych wartości widm falkowych. Pamięć ta jest połączona z blokiem dyskryminatora 6, który jest połączony z blokiem 3 wyznaczania widma. Blok dyskryminatora 6, od chwili wykrycia zamiany stanu sieci za pomocą bloku 4 wykrywania zmiany stanu sieci, realizuje test, czy w trzech określonych zakresach częstotliwości PF1, PF2 i PF3 utworzonych na podstawie trzech odpowiednich widm falkowych sygnału prądu skorelowanych w czasie ze zmianą stanu odbiornika związaną ze zmianą stanu sieci, występują wzorce zapisane w pamięci 5.

4 4 PL B1 Urządzenie według wynalazku służy do realizacji sposobu według wynalazku, w którym, w niniejszym przykładzie wykonania mierzy się sygnał i(t) prądu zasilania sieci nn i próbkuje się w przetworniku analogowo-cyfrowym 2 o rozdzielczości co najmniej 12 bitów, z częstotliwością 20 MHz tj. znacznie większą od 10 MHz. Dzięki zastosowaniu takiej częstotliwości próbkowania możliwa jest późniejsza analiza w zakresach częstotliwości pozwalających na jeszcze lepszą identyfikację odbiorników. Po spróbkowaniu sygnału i(t) w układzie przetwornika analogowo cyfrowego 2 sygnał cyfrowy grupuje się w wektor próbek i(n), odwzorowujących wspomniany sygnał w dziedzinie czasu. Otrzymany wektor próbek przekształca się w bloku wyznaczania widma 3 w trzy dyskretne sygnały widma falkowego sygnału prądu skorelowane w sensie czasu z chwilą zmiany stanu sieci zasilającej, wykrywaną za pomocą bloku wykrywania zmiany stanu sieci 4. Za pomocą dyskryminatora 6 sygnały widma falkowego porównuje się z zapisanymi w pamięci wzorcami. Zbiór wartości amplitud poszczególnych falek prądu w bloku wyznaczania widma 3 wyznacza się w funkcji czasu liczonego od chwili wspomnianej zmiany stanu wykrytej za pomocą bloku wykrywania zmiany stanu 4. W niniejszym, cyfrowym przykładzie realizacji widmo falkowe wyznacza się za pomocą algorytmu przekształcenia falkowego w postaci ciągłej transformaty falkowej (CWT) wykorzystującej falkę typu bump w trzech zakresach: w zakresie PF1: od a1 = khz do b1 = khz wyznacza się pierwsze widmo S1 (a1, b1); w zakresie PF2: od a2 = khz do b2 = khz wyznacza się drugie widmo S2 (a2, b2); w zakresie PF3: od a3 = Hz do b3 = khz wyznacza się trzecie widmo S3 (a3, b3). Twórcy ustalili, że do identyfikacji można zastosować różne rodzaje transformacji z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwością ale transformacja falkowa zapewniła lepszą precyzję niż inne testowane transformacje. Tym samym wyznacza się próbki trzech widm falkowych sygnału prądu na podstawie jego wartości próbek w dziedzinie czasu. Wartości uzyskanego widma sygnału prądu są skorelowane z czasem ich występowania liczonym od chwili pojawienia się w prądzie sygnału wysokiej częstotliwości czyli zmiany stanu sieci. Proporcje amplitud falek w poszczególnych zakresach oraz ich wzajemne przesunięcia w czasie są unikalne dla różnych odbiorników w sieci a zatem ich wyznaczenie umożliwia identyfikację odbiornika wywołującego zmianę stanu sieci. Wystarczy do tego analiza sygnału prądu w odcinku czasu większym lub równym 2 ms poczynając od zajścia zmiany stanu sieci. Twórcy wynalazku ustalili, że unikalność poszczególnych urządzeń można zapewnić za pomocą 21 parametrów uzyskiwanych poprzez identyfikację następujących 7 cech pokazanych graficznie na Fig. 2 na którym ukazano przekrój czasowo-częstotliwościowej charakterystyki prądu dla jednego zakresu częstotliwości PF2, na którym zaznaczono cechy C1 do C7 dla pojedynczego czasu analizy falkowej tx, dla którego wartość amplitudy A jest największa dla całego zakresu poddawanego analizie. Cechy te wyznacza się w każdym z zakresów częstotliwości PF1, PF2, PF3: cecha 1 to częstotliwość falki o najwyższej amplitudzie w analizowanym widmie. cechy 2, 3 i 4 dotyczą rozkładu w częstotliwości dominującego segmentu współczynników falkowych na pierwszym poziomie 0,9 wartości amplitudy maksymalnej A. Cecha 2 to wartość częstotliwości początku, cecha 3 to wartość częstotliwości końca, zaś cecha 4 to różnica pomiędzy częstotliwością początku a częstotliwością końca segmentu na poziomie 0,9 A. Cechy 5, 6 i 7 dotyczą rozkładu w częstotliwości dominującego segmentu współczynników falkowych na drugim poziomie 0,5 A. Cecha 5 to wartość częstotliwości początku, cecha 6 to wartość częstotliwości końca, zaś cecha 7 to różnica pomiędzy częstotliwością początku a częstotliwością końca. Zestaw określonych wartości lub zakresów wartości stanowi unikalny wzorzec odpowiadający odbiornikowi odcisk palca. Dzięki zapisaniu w pamięci 5 wzorców różnych urządzeń można za pomocą dyskryminatora 6 wykryć odbiornik, którego zmiana stanu powoduje zmianę stanu sieci. Jeden odbiornik jest identyfikowany wzorcem zapisanym w pamięci, na który składają się grupy cech występujących w analizowanych zakresach częstotliwości. Cechy te są związane z określonym rodzajem odbiornika i zmianą jego stanu. Można je określić na podstawie pomiarów laboratoryjnych, w ten sposób tworząc bibliotekę wzorców popularnych urządzeń. Inną metodą określenia wzorca odbiornika jest zastosowanie identyfikacji odbiornika w miejscu jego zainstalowania, polegającej na wprowadzeniu urządzenia według wynalazku w stan detekcji wzorca oraz włączeniu i następnie wyłączeniu odbiornika. Tego rodzaju czynność umożliwia urządzeniu według wynalazku na wykonanie pomiarów

5 PL B1 5 sygnału prądu i dokonanie obliczeń cech występujących w trzech analizowanych zakresach częstotliwości. Z uwagi na znaczną liczbę możliwości zmian stanu do identyfikacji jednego urządzenia można zastosować więcej niż jeden wzorzec. W przypadku niektórych urządzeń zasadne jest zastosowanie kilkudziesięciu wzorców. Realizacja bloków urządzenia według wynalazku jest również możliwa w technice analogowej, chociaż znacznie skomplikowane. Blok wyznaczania widma można uzyskać zapewniając bank sygnałów wzorcowych np. falkowych oraz układ korelatorów. Blok wykrywania zmian sieci 4 można zrealizować jako prosty filtr LC oraz detektor. Układ dyskryminatora 6 i pamięci można zrealizować jako zespół generatorów i korelatorów, działających w sposób zsynchronizowany. Takie rozwiązanie jest bardziej zawodne i podatne na awarie ale znawca technik analogowych jest w stanie wykonać je rutynowo po zapoznaniu się z istotą wynalazku opisaną w niniejszym opisie. Alternatywnie można zastosować rozwiązanie w którym blok wykrywania zmian sieci 4 i blok wyznaczania widma realizuje się analogowo a uzyskane sygnały próbkuje i dalej przetwarza cyfrowo. W alternatywnych realizacjach sposobu według wynalazku można zastosować więcej cech charakteryzujących odbiorniki lub nawet rozpoznawać je korelując całe widma. Wynalazek umożliwia wykrycie zmian stanu sieci i wykrycie źródła zakłóceń co jest kluczową informacją dla jej utrzymywania i zapewniania prawidłowej pracy. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do detekcji zmian trybu pracy oraz identyfikacji odbiorników w sieci zasilania zawierające moduł pomiaru prądu (1), znamienne tym, że zawiera blok wyznaczania widma (3) przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru prądu (1) oraz blok wykrywania zmian sieci (4) przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru prądu (1) oraz dyskryminator (6) połączony z blokiem wyznaczania widma (3) oraz modułem pamięci (5) mieszczącym zespół wzorców. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że blok wykrywania zmian sieci (4) i blok wyznaczania widma (3) przyjmują sygnał wyjściowy modułu pomiaru prądu (1) za pośrednictwem przetwornika analogowo-cyfrowego (2) o rozdzielczości większej lub równej 12 bitów i częstotliwości większej od 10 MHz. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że blok wyznaczania widma (3) jest przystosowany do wyznaczania transformaty falkowej w przynajmniej trzech zakresach częstotliwości. 4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że blok (4) wykrywania zmiany stanu sieci zawiera filtr górnoprzepustowy przystosowany do filtracji sygnału wejściowego. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że częstotliwość graniczna filtru jest większa lub równa 30 khz. 6. Sposób wykrywania zmian trybu pracy i identyfikacji odbiorników podłączonych do sieci zasilania obejmujący etap pomiaru prądu i(t) w sieci zasilania etap wykrywania momentu zmiany stanu sieci oraz etap identyfikacji odbiorników stanowiących źródło tych zmian, znamienny tym, że po etapie pomiaru prądu uzyskuje się sygnał reprezentujący i(t) reprezentujący przebieg prądu w czasie, a następnie wyznacza się jego widmo poczynając od momentu zmiany stanu sieci w odcinku czasu dłuższym lub równym 2 ms, a następnie widmo to porównuje się z zespołem wzorców i identyfikuje się odbiornik na podstawie najbardziej dopasowanego wzorca. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że widmo wyznacza się za pomocą transformaty falkowej. 8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że transformację falkową przeprowadza się w przynajmniej trzech zakresach częstotliwości, w których wyznacza się czas wystąpienia współczynnika falkowego o najwyższej amplitudzie (tx) oraz, częstotliwość współczynnika falkowego o najwyższej amplitudzie, częstotliwości brzegowe oraz pasmo na poziomie 0,9 maksymalnej amplitudy widma w czasie tx, częstotliwości brzegowe oraz pasmo na poziomie 0,5 maksymalnej amplitudy widma w czasie tx

6 6 PL B1 przy czym częstotliwości te które porównuje się z zespołem wzorców. 9. Sposób według zastrz. 6, 7 albo 8, znamienny tym, że wykrywanie momentu zmiany stanu sieci przeprowadza się wykrywając w widmie sygnału prądu częstotliwości wyższe niż 30 khz. Rysunki Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)