RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 232306 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 425578 (22) Data zgłoszenia: 17.05.2018 (51) Int.Cl. G01R 21/00 (2006.01) G01R 21/133 (2006.01) G01R 23/20 (2006.01) G01R 27/00 (2006.01) (54) Urządzenie do identyfikacji odbiorników w sieci zasilania oraz sposób do identyfikacji odbiorników w sieci zasilania (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 02.01.2019 BUP 01/19 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.06.2019 WUP 06/19 (72) Twórca(y) wynalazku: RYSZARD KOWALIK, Warszawa, PL WIESŁAW WINIECKI, Warszawa, PL KRZYSZTOF DOWALLA, Ząbki, PL ROBERT ŁUKASZEWSKI, Warszawa, PL AUGUSTYN WÓJCIK, Zabieżki, PL PIOTR BILSKI, Olsztyn, PL ŁUKASZ NOGAL, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Marek Bury PL 232306 B1
2 PL 232 306 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.417462 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 moduł przetwarzania FFT z modułem 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. Celem wynalazku jest rozwiązanie tych problemów i zapewnienie sposobu oraz urządzenia umożliwiającego identyfikację odbiorników pracujących w sieci zasilania. Urządzenie do identyfikacji odbiorników zawierające moduł pomiaru prądu oraz moduł pomiaru napięcia i dyskryminator, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że zawiera moduł wyznaczania widma przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru prądu i moduł przetwarzania przebiegu napięcia przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru napięcia i mający wyjście połączone z wejściem modułu wyznaczania widma, zaś dyskryminator przyjmuje na wejściu sygnał wyjściowy z modułu wyznaczania widma i jest połączony z modułem pamięci mieszczącym zespół wzorców. Korzystnie moduł wyznaczania widma i moduł przetwarzania przebiegu napięcia przyjmują sygnały wejściowe za pośrednictwem przetworników analogowo-cyfrowych o rozdzielczości większej lub równej 12 bitów i częstotliwości próbkowania większej od 1 MHz. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że moduł wyznaczania widma jest przystosowany do wyznaczania transformaty falkowej zapewniającej wysoką rozdzielczość w czasie i częstotliwości i precyzję porównywania z wzorcami. Sposób wykrywania zmian trybu pracy i identyfikacji odbiorników podłączonych do sieci zasilania obejmujący etap pomiaru przebiegów prądu i(t) i napięcia u(t) w sieci zasilania oraz etap identyfikacji odbiorników, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że przed etapem identyfikacji wyznacza się moment przejścia napięcia u(t) przez zero, a następnie wyznacza się widmo przebiegu prądu i(t) poczynając od tego momentu, a następnie widmo to porównuje się z zespołem wzorców i identyfikuje się odbiornik na podstawie najlepiej dopasowanego wzorca. Korzystnie to widmo czasowo-częstotliwościowe wyznacza się za pomocą transformaty falkowej. Korzystnie widmo wyznacza się w paśmie częstotliwościowym do 400 khz. Wzorce korzystnie reprezentuje się, jako kontury zamknięte na czasowo-częstotliwościowej płaszczyźnie falkowej, zaś widmo uznaje się za dopasowane do wzorca w sytuacji, gdy jego maksima mieszczą się w konturach tego wzorca. Kontury mogą mieć formę wektora liczb określającego kształt i parametry każdego z nich np. parametry elips określonych równaniem elipsy o półosiach długości ta w osi poziomej (czas) i fb w osi pionowej (częstotliwość), o środku położonym w punkcie o współrzędnych (t0, fo) oraz nachylonej pod kątem do osi poziomej (osi czasu t), w środku których, wyliczone wartości falek są większe od przyjętej wartości charakterystycznej będącej elementem wspomnianego
PL 232 306 B1 3 wektora liczb np. większe od 80% wartości maksymalnej falki. Wynalazek umożliwia znaczną dowolność w zakresie definicji wzorców dzięki temu, że zapewnia synchronizację w czasie i możliwość wykorzystywania charakterystycznych własności odbiorników zarówno w częstotliwości jak i w czasie. 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, Fig. 2 przedstawia przykładowe przebiegi prądu i napięcia z zaznaczeniem punktu przejścia napięcia przez zero, natomiast Fig. 3 przedstawia wzorce na płaszczyźnie falkowej PZ. Zgodnie z przykładem wykonania wynalazku urządzenie którego schemat blokowy pokazano na Fig. 1, 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 moduł wyznaczania widma 5 z dyskryminatorem 8, przystosowanym do porównywania mierzonych widm z widmami wzorcowymi zapisanymi w połączonej z nim pamięci 7. Urządzenie zawiera ponadto tor napięciowy z modułem pomiaru napięcia 2, którego wejście połączone jest z zaciskami wejściowymi L1 i N sieci odbiorczej O, a wyjście połączone jest poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy 4 i następnie moduł przetwarzania przebiegu napięcia 6 dokonujący detekcji przejścia przez zero, z modułem wyznaczania widma 5 Znawca jest bez trudu w stanie wybrać stosowną konstrukcję modułu pomiaru prądu 1, z literatury, np. R. Kowalik, M. Januszewski, A. Smolarczyk: Cyfrowa elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa OWPW, 2006, ISBN: 83-7207-579-4, rozdz. 3.3.1. Wejścia analogowe prądowe. Przetwornik analogowo-cyfrowy 3 połączony z modułem pomiaru prądu 1, przetwarzający sygnał i(t) na sygnał dyskretny i(n) ma w niniejszym przykładzie wykonania częstotliwość próbkowania 2 M próbek/s i rozdzielczość 12 bitów. Moduł wyznaczania widma 5 przyjmuje sygnał wyzwalający wyznaczanie widma z modułu przetwarzania 6 przebiegu napięcia. Moduł przetwarzania 6 przebiegu napięcia wyznacza ten sygnał w odniesieniu do chwili przejścia przez 0 sygnału napięcia u(t), który otrzymuje z drugiego przetwornika analogowo cyfrowego 4 przetwarzającego sygnał z modułu pomiaru napięcia 2. Znawca jest bez trudu w stanie wybrać stosowną konstrukcję modułu pomiaru napięcia 2, z literatury, np. R. Kowalik, M. Januszewski, A. Smolarczyk: Cyfrowa elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa OWPW, 2006, ISBN: 83-7207-579-4, rozdz. 3.3.2. Wejścia analogowe napięciowe. Moduł wyznaczania widma 5 w niniejszym przykładzie realizuje transformację falkową zsynchronizowaną z przejściem przez zero sygnału napięcia. Zagadnienie synchronizacji pomiarów prądu i napięcia ilustruje Fig. 2. Taka synchronizacja pozwala na uwzględnienie w cechach wzorców parametru w postaci czasu pojawiania się sygnałów dużej częstotliwości, co również pozwala na uproszczenie zadania dyskryminatora określając wstępnie czas ich występowania pokazany na rysunku Fig. 2 jako tmin do tmax. Transformację falkową przeprowadza się dla współczynników skali odpowiadających przy częstotliwości próbkowania 2 MHz zakresowi częstotliwości od 15 khz do 400 khz. Maksima widma powyżej 15 khz mają bardziej unikalny dla odbiorników charakter. Wynalazek można również zrealizować stosując inne transformaty, chociaż w takim wypadku precyzja identyfikacji uległaby pewnej degradacji. Dokładność obserwacji momentu przejścia przez zero narzuca wymagania na częstotliwość próbkowania przetwornika. Szczególnie dobre wyniki w identyfikacji uzyskuje się, gdy częstotliwość próbkowania przekracza 2 MHz a rozdzielczość 12 bitów. Urządzenie według wynalazku jest zaopatrzone ponadto w pamięć 7 przystosowaną do mieszczenia wzorcowych wartości widm falkowych. Pamięć ta jest połączona z modułem dyskryminatora 8, który jest połączony z modułem 5 wyznaczania widma. Taka konstrukcja umożliwia przeprowadzenie za pomocą modułu dyskryminatora 8 porównania wyznaczonego widma z zestawem wzorcowych widm zapisanych w pamięci 7 i identyfikację odbiornika. W module dyskryminatora 8, do identyfikacji odbiornika wykorzystuje się skończony zbiór wartości widma falkowego sygnału prądu obliczany z wykorzystaniem analizy falkowej przeprowadzanej na liczbie próbek sygnałów prądów i napięć będącej wynikiem próbkowania obejmującego jeden okres sygnału o częstotliwości znamionowej sieci zasilającej, typowo: 50 Hz, którego początek wyznacza przejście sygnału napięcia przez zero z wartości ujemnych do dodatnich. 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 3 o rozdzielczości co najmniej 12 bitów, z częstotliwością większą od 1 MHz
4 PL 232 306 B1 (np. 2 MHz). Taki przetwornik zapewnia precyzję wyznaczania widm i precyzję synchronizacji wystarczającą do skutecznej identyfikacji odbiorników w testowanych przez twórców przypadkach. Po spróbkowaniu sygnału i(t) w układzie przetwornika analogowo cyfrowego 3 sygnał cyfrowy grupuje się w wektor próbek i(n), odwzorowujących wspomniany sygnał w dziedzinie czasu. Otrzymany wektor próbek przekształca się w bloku wyznaczania widma 5 w dyskretny sygnał widma falkowego sygnału prądu skorelowany w sensie czasu z chwilą przejścia przez zero sygnału napięcia uzyskanego z modułu pomiaru napięcia 2 za pośrednictwem drugiego przetwornika analogowo-cyfrowego 4 i wykrytego za pomocą modułu przetwarzania 6. Powstałe tak wartości widma sygnału prądu skorelowane w czasie charakteryzują, a więc identyfikują poszczególne odbiorniki. Na ich podstawie można dokonać identyfikacji stanów poszczególnych odbiorników. Do identyfikacji odbiornika wykorzystuje się skończony zbiór wartości widma falkowego sygnału prądu obliczany z wykorzystaniem analizy falkowej przeprowadzanej na liczbie próbek sygnałów prądów i napięć będącej wynikiem próbkowania obejmującego jeden okres sygnału o częstotliwości znamionowej sieci zasilającej (np. 50 Hz), którego początek wyznacza przejście sygnału napięcia przez zero z wartości ujemnych do dodatnich. Sposób według wynalazku pozwala na detekcję stanu poszczególnych odbiorników i jednoznacznie opisuje zidentyfikowane urządzenia za pomocą skończonych zbiorów wartości widm wzorcowych. Widma wzorcowe w niniejszym przykładzie reprezentuje się jako kontury zdefiniowane na płaszczyźnie falkowej PF, w których wartości amplitud poszczególnych falek prądu są większe od przyjętej wartości charakterystycznej będącej elementem wspomnianego wektora liczb. Na rysunku Fig. 3 pokazano wygląd przykładowej płaszczyzny falkowej zawierającej przykładowe kontury ograniczające obszary, w których amplitudy przekształcenia falkowego są większe niż przyjęta wartość charakterystyczna. Zespół konturów tych obszarów O1 O6 stanowi wzorzec. Przyjmuje się, że widmo odpowiada wzorcowi jeżeli jego maksima na poziomie 80% mieszczą się w określonych we wzorcu konturach. W przykładzie pokazanym na Fig. 3, płaszczyzna falkowa zawiera się między określonymi chwilami czasu od tmin do tmax oraz częstotliwościami od fmin do fmax. Wzorce reprezentowane jako kontury na płaszczyźnie falkowej mogą mieć formę wektora liczb określającego parametry każdego z nich np. parametry elips określonych równaniem elipsy o półosiach długości ta w osi poziomej (czas) i fb w osi pionowej (częstotliwość), o środku położonym w punkcie o współrzędnych (t0, fo) oraz nachylonej pod kątem do osi poziomej (osi czasu t), w środku których wyliczone wartości falek są większe od przyjętej wartości charakterystycznej będącej elementem wspomnianego wektora liczb np. większe od 80% wartości maksymalnej falki. Synchronizacja z przejściem napięcia przez 0 zapewnia możliwość konstruowania wzorców dwuwymiarowych na płaszczyźnie falkowej czas-częstotliwość. Dzięki temu nie traci się unikalnych własności odbiornika wskutek uśrednienia w czasie jakie ma miejsce przy wyznaczaniu zwykłego widma. Z uwagi na znaczną liczbę możliwych stanów pracy do identyfikacji jednego urządzenia można zastosować więcej niż jeden wzorzec. W przypadku niektórych urządzeń zasadne jest zastosowanie kilkudziesięciu wzorców. Realizacja modułów urządzenia według wynalazku jest również możliwa w technice analogowej, chociaż znacznie skomplikowana. Moduł wyznaczania widma można uzyskać zapewniając bank sygnałów wzorcowych np. falkowych oraz układ korelatorów. W szczególności do generowania sygnału synchronizującego z przejściem przez zero można rutynowo zaprojektować prosty układ analogowy. Układ dyskryminatora 8 i pamięci 7 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 tory aż do modułu wyznaczania widma realizuje się analogowo a uzyskane sygnały próbkuje i dalej przetwarza cyfrowo. Zastosowana w konstrukcji tych typowych modułów technika pozostaje bez wpływu na zakres ochrony wynalazku zdefiniowany załączonymi zastrzeżeniami.
PL 232 306 B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do identyfikacji odbiorników zawierające moduł pomiaru prądu (1) oraz moduł pomiaru napięcia (2) i dyskryminator (8), znamienne tym, że zawiera moduł wyznaczania widma (5) przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru prądu (1) i moduł przetwarzania przebiegu napięcia (6) przyjmujący sygnał wyjściowy z modułu pomiaru napięcia (2) i mający wyjście połączone z wejściem modułu wyznaczania widma (5), zaś dyskryminator (8) przyjmuje na wejściu sygnał wyjściowy z modułu wyznaczania widma (5) i jest połączony z modułem pamięci (7) mieszczącym zespół wzorców. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że moduł wyznaczania widma (5) i moduł przetwarzania przebiegu napięcia (6) przyjmują sygnały wejściowe za pośrednictwem przetworników analogowo-cyfrowych (3, 4) o rozdzielczości większej lub równej 12 bitów i częstotliwości próbkowania większej od 1 MHz. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że moduł wyznaczania widma (5) jest przystosowany do wyznaczania transformaty falkowej. 4. Sposób wykrywania zmian trybu pracy i identyfikacji odbiorników podłączonych do sieci zasilania obejmujący etap pomiaru przebiegów prądu i(t) i napięcia u(t) w sieci zasilania oraz etap identyfikacji odbiorników, znamienny tym, że przed etapem identyfikacji wyznacza się moment przejścia napięcia u(t) przez zero, a następnie poczynając od tego momentu wyznacza się czasowo-częstotliwościowe widmo przebiegu prądu i(t), które porównuje się z zespołem wzorców i identyfikuje się odbiornik na podstawie najlepiej dopasowanego wzorca. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że widmo wyznacza się za pomocą transformaty falkowej. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że widmo wyznacza się w paśmie częstotliwościowym od fmin = 15 khz do fmax = 400 khz. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że wzorce reprezentuje się, jako kontury zamknięte na czasowo-częstotliwościowej płaszczyźnie falkowej, zaś widmo uznaje się za dopasowane do wzorca w sytuacji, gdy jego maksima mieszczą się w konturach tego wzorca.
6 PL 232 306 B1 Rysunki Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)