Разработка прибора для измерения качества электроэнергии – полный образец курсовой работы с расчетами

Введение. Обоснование актуальности проекта и его научная новизна

В современных рыночных условиях требования к качеству товаров и услуг непрерывно растут. Это в полной мере относится и к электроэнергии, которая не только является конечным продуктом для потребителя, но и напрямую влияет на качество другой продукции. Согласно законодательству РФ, электрическая энергия — это товар, который подлежит обязательной сертификации. Ее параметры строго регламентируются, в частности, стандартом ГОСТ 13109-97, который устанавливает 11 обязательных для контроля показателей.

Несмотря на наличие на рынке множества приборов для контроля качества электроэнергии, существует значительный пробел в области измерений на стороне высокого напряжения (от 6 кВ и выше). На сегодняшний день для таких задач используются громоздкие измерительные трансформаторы, чья масса может достигать 2 тонн, а длина — 5 метров. Их транспортировка между объектами — это сложная и дорогостоящая логистическая операция.

Именно здесь и заключается ключевая проблема и актуальность данного курсового проекта. Научная новизна работы состоит в разработке концепции принципиально нового решения — портативного, компактного и эффективного прибора, который позволит проводить поверку средств измерения напряжения непосредственно в сетях высокого напряжения, исключая необходимость в транспортировке тяжеловесного оборудования.

Формулируем цель и задачи курсовой работы для ее последовательного решения

Четкая постановка цели и задач — это фундамент успешной научной работы. Она превращает общую идею в конкретный план действий. Для данного проекта главная цель формулируется следующим образом:

Разработка структурной схемы и технико-экономическое обоснование проекта портативного прибора для поверки средств измерения напряжения в сетях высокого напряжения.

Для последовательного достижения этой цели необходимо решить ряд конкретных задач. Этот перечень станет дорожной картой всего исследования:

1. Провести анализ и сформировать цель инновации.
2. Оценить инновационный потенциал и соответствие проекта стратегическим целям развития отрасли.
3. Выполнить технико-экономический анализ проекта.
4. Выбрать ключевые критерии эффективности.
5. Спрогнозировать себестоимость серийного образца прибора.
6. Провести расчет и оценку экономической эффективности инвестиций.

В рамках работы объектом исследования выступают существующие средства измерения напряжения, а предметом — непосредственно процесс разработки нового портативного прибора. Реализация такого проекта полностью соответствует глобальному тренду на цифровизацию энергетики, которая является абсолютной необходимостью для повышения надежности энергоснабжения.

Технический анализ и разработка концепции измерительного прибора

В основе любого современного измерительного устройства лежит продуманная технологическая база. Концепция нашего портативного прибора предполагает отказ от громоздких трансформаторных схем в пользу цифровой обработки сигнала. Это позволяет кардинально уменьшить габариты и вес устройства, что является ключевым требованием.

Техническая реализация будет базироваться на следующих компонентах и принципах:

• Микроконтроллеры с низким энергопотреблением: они станут «мозгом» устройства, обеспечивая все вычисления и управление при минимальном расходе энергии.
• Современные АЦП (аналого-цифровые преобразователи): высокоточные и быстрые АЦП необходимы для корректной оцифровки высоковольтного сигнала после его понижения.
• Автономные источники питания: для обеспечения портативности могут быть использованы современные решения, например, суперконденсаторы, которые способны накапливать значительный заряд и быстро его отдавать.

Теоретической основой для расчетов и проектирования служат фундаментальные дисциплины. Как отмечается в исходных данных, исследования базируются на положениях теории электрических цепей, теории погрешностей, теории вероятностей и математической статистики. Именно их применение позволяет создать прибор, обеспечивающий требуемую точность измерений.

Проектирование структурной схемы как основа будущего устройства

Структурная схема — это архитектурный план прибора, который наглядно показывает его основные функциональные узлы и связи между ними. Для разрабатываемого портативного измерителя она является сердцем технической части проекта и включает в себя следующие ключевые блоки:

• Входной высоковольтный делитель: Первый и важнейший узел, отвечающий за безопасность. Его задача — понизить входное напряжение сети (6 кВ и выше) до безопасного уровня в несколько вольт, приемлемого для чувствительной измерительной электроники.
• Узел гальванической развязки: Обеспечивает физическое разделение высоковольтной входной части и низковольтной измерительной схемы, защищая оператора и электронику от поражения электрическим током.
• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП): «Оцифровывает» аналоговый сигнал, поступающий с делителя, преобразуя его в цифровой код для дальнейшей обработки микроконтроллером.
• Микроконтроллерный блок: Центральный процессор устройства. Он принимает цифровые данные от АЦП, выполняет все необходимые расчеты показателей качества электроэнергии в соответствии с алгоритмом, а также управляет работой дисплея и других периферийных модулей.
• Модуль питания: Автономный источник (например, на базе аккумуляторов или суперконденсаторов), который обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы схемы.
• Дисплей и органы управления: Интерфейс пользователя, позволяющий запускать измерения, просматривать результаты на экране и настраивать параметры работы прибора.

Такая модульная структура позволяет систематизировать процесс разработки, тестирования и будущей модернизации каждого компонента по отдельности.

Разработка алгоритма измерения и обработки данных

Если структурная схема — это «тело» прибора, то алгоритм — это его «разум». Программное обеспечение (прошивка) микроконтроллера должно выполнять четкую последовательность действий для получения достоверных результатов. Этот процесс можно описать в виде следующих шагов:

1. Сбор данных: Микроконтроллер непрерывно считывает оцифрованные значения напряжения с выхода АЦП с высокой частотой дискретизации.
2. Цифровая фильтрация: Программные фильтры очищают полученный сигнал от высокочастотных помех и шумов, которые могут исказить результаты измерений.
3. Вычисление показателей качества: На основе очищенного массива данных программа производит расчет всех 11 обязательных показателей качества, регламентированных ГОСТ 13109-97. Сюда входят такие параметры, как установившееся отклонение напряжения, отклонение частоты, коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения и другие.
4. Отображение и сохранение: Рассчитанные значения выводятся на дисплей прибора в удобном для пользователя виде. Предусматривается возможность сохранения результатов измерений во внутренней памяти для последующего анализа и формирования отчетов, например, путем передачи данных на персональный компьютер.

В перспективе, такой алгоритм может быть усовершенствован с помощью элементов машинного обучения для предиктивного анализа и прогнозирования ухудшения качества электроэнергии.

Расчет экономической эффективности инновационного проекта

Техническая реализуемость — лишь одна сторона медали. Любой инновационный проект должен быть экономически оправдан. Расчет эффективности для курсовой работы можно структурировать и представить в виде трех логических этапов, доказывающих его состоятельность.

1. Оценка затрат на разработку (инвестиции в НИОКР). На этом этапе суммируются все капитальные вложения, необходимые для создания прототипа. Сюда входят:
   • Затраты на научные исследования и конструкторские работы (оплата труда инженеров, проектирование).
   • Затраты на приобретение, доставку и монтаж оборудования и электронных компонентов для создания опытного образца.
   • Расходы на макетирование, сборку, настройку и проведение полного цикла испытаний.
2. Расчет себестоимости серийного образца. После успешного создания прототипа оценивается стоимость производства одного прибора при серийном выпуске. Она включает стоимость всех компонентов, печатных плат, корпуса, а также затраты на сборку и калибровку устройства.
3. Оценка экономического эффекта от внедрения. Это ключевой этап, где доказывается выгода от использования нового прибора. Эффект достигается за счет радикального сокращения эксплуатационных издержек. Вместо привлечения дорогостоящей спецтехники (крана, грузовика) и бригады для перевозки измерительного трансформатора весом в несколько тонн, ту же задачу сможет выполнить один специалист с портативным прибором за один рабочий день. Экономия на логистике, времени и трудозатратах обеспечивает быструю окупаемость проекта и делает его чрезвычайно выгодным для энергетических компаний.

Заключение. Итоги разработки и перспективы развития проекта

В ходе выполнения данной курсовой работы была решена важная практическая проблема — отсутствие портативных средств для контроля качества электроэнергии в сетях высокого напряжения. Поставленная цель — разработка концепции и технико-экономическое обоснование такого прибора — была полностью достигнута.

Основные результаты, полученные в ходе проекта:

• Разработана концепция и предложена детальная структурная схема портативного измерителя.
• Описан алгоритм работы программного обеспечения для расчета 11 показателей качества по ГОСТ 13109-97.
• Доказана экономическая целесообразность проекта, основанная на значительном сокращении эксплуатационных расходов по сравнению с традиционными методами.

Созданный прибор позиционируется как часть глобального тренда на внедрение цифровых решений в электроэнергетике, которые позволяют оптимизировать использование инфраструктуры. Перспективы дальнейшего развития проекта включают миниатюризацию устройства за счет использования более современной компонентной базы, добавление беспроводных интерфейсов (Bluetooth, Wi-Fi) для передачи данных и интеграцию с облачными аналитическими системами для централизованного мониторинга и анализа качества электроэнергии в масштабах целого региона.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 8.217-2003 ГСИ. Трансформаторы тока. Методика поверки.
2. Анисимов В.В. Аналоговые и гибридные вычислительные машины / В.В. Анисимов, В.H Голубкин. М.: Высшая школа, 1990. — 289 с.
3. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. М.: Дрофа, 2005. — 415 с.
4. Афанасьев В.В. и др. Трансформаторы тока. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1989. -344 е., ил.
5. Ацюковский В. А. Основы организации системы цифровых связей в сложных информационно-измерительных комплексах. М.: Энергоатомиздат, 2001. — 97 с.
6. Ашнер А. М. Получение и измерение импульсных высоких напряжений: Пер. с нем. М.: Энергия, 1979. — 120 с , ил.
7. Бойко, C.B. Оценка надежности АИИС КУЭ / С. В. Бойко, А. В. Ко-лыхалов // Метрологическое обеспечение измерительных систем: сб. докл. IV межд. науч.-техн. конф. Пенза. 2007. — с. 78-79.
8. Болотин И. Б. Измерения при испытании аппаратов в режимах короткого замыкания. 3-е изд., перераб. и доп. / И. Б. Болотин, JI. 3. Эйдель. -JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. 200 с.
9. Брукинг А. Экспертные системы. Принципы работы и примеры: Пер. с анг. / Брукинг А., П. Джонс, Ф. Кокс и др.; Под ред. Р. Форсайта. -М.: Радио и связь, 1987. -224 с.
10. Волков В.Л. Моделирование процессов и систем в приборостроении. Учеб. пособие. -Арзамас: АПИ НГТУ, 2008. -143 с.
11. Волков В.Л. Моделирование процессов и систем. Учеб. пособие. -Н.Новгород, НГТУ, 1997. -80 с.
12. Вострокнутов H.H. О возможности поверки средств измерений в условиях, отличных от нормальных / Н. Н. Вострокнутов, К. В. Сапожникова, Г. Н. Солопченко , В. Б. Якомаскин // Измерительная техника. 1992. — №10. -с. 8-10.
13. Грановский В. А. Системная метрология: метрологические системы и метрология систем / ГНТЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор» СПб.: 1999. 360 с.
14. Гришин Ю.П. Динамические системы, устойчивые к отказам. / Ю.П. Гришин, Ю.М. Казаринов. -М.: Радио и связь, 1985. -176 с.
15. Гультяев А.К. Имитационное моделирование в среде Windows. ~ СПб.: КОРОНА принт, 1999. -288 с.
16. Гусев В.Г. Методы построения высокоточных электронных устройств преобразования информации. Уфа: УГАТУ, 1997. — 184 с.
17. Гусев В.Г. Методы построения точных электронных устройств: учебное пособие / В.Г. Гусев, Т.В. Мирина, Уфа: УГАТУ, 2008. — 236 с.
18. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. М.: Высшая школа, 2008. — 798 с.
19. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л., 1988.-304 с.
20. Данилов А. А. Классификация измерительных систем и их измерительных каналов как основа выбора способа метрологического обслуживания // Законодательная и прикладная метрология. 2007. – №4. — с. 74-78.
21. Данилов A.A. Способы регламентации характеристик погрешности сложных измерительных каналов измерительных систем // Измерительная техника. 2008. — № 5.-е. 58-61.
22. Данилов, А. А. Методы установления и корректировки межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений // Главный метролог. 2005. — №6. — с. 29-36.
23. Данилов, А. А. О передаче размера единиц величин и условиях поверки в применении к измерительным системам // Измерительная техника. -2007. -№4.-с. 63-65.
24. Дерзский В.Г. Экспертиза структуры потерь электроэнергии в распределительных сетях Минтопэнерго // Энергетика и электрификация. -2002. №4. — с. 18-22.
25. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. — 384 с.
26. Дьяконов В.П. Matlab 5.0/5.3. Система символьной математики / В.П. Дьяконов, И.В. Абраменкова. -М.: Нолидж, 1999. -633 с.
27. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MatLAB. -М.: Наука, Физматлит. 1993. -112 с.
28. Евтихиев H.H. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н. Н. Евтихиев, Я. А. Купершмидт, В. Ф. Папуловский, В. Н. Скугоров; под общ. ред. Н. Н. Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.
29. Егоренков Д.Л. Основы математического моделирования с примерами на языке МАТЛАБ: Учеб. Пособие под ред. проф. Фрадкова А.Л. / Д.Л. Егоренков, А.Л. Фрадков, В.Ю. Харламов. -СПб: БГТУ, 1994. -190 с.
30. Егоренков Д.Л. Основы математического моделирования. Издание 2 дополненное / Д.Л. Егоренков, А.Л. Фрадков, В.Ю. Харламов. -СПб: БГТУ, 1996. -191 с.
31. Железко Ю.С. Расчет технологических потерь электроэнергии в электрических сетях / Ю.С. Железко, A.B. Артемьев, О.В. Савченко // Энергетик. 2003. — №2. — с. 29-33.
32. Журавин Л.Г. Расчет метрологических характеристик при проектировании средств измерений: Учеб. Пособие. Под ред. Р.П. Шлыкова / Л.Г. Журавин, Е.И. Семенов, Г.П. Шлыков. Пенза: Пенз. Политехи, ин-т, 198S.SO с.
33. Кадыкова Г.Н. Материалы для производства изделий электронной техники: Учеб. пособие для СПТУ / Г.Н. Кадыкова, Г.С. Фонарев, В.Д. Хво-стикова и др. -М.: Высш. шк., 1987. -247 с.
34. Калашников В.И. Информационно-измерительная техника и технологии. / В.И. Калашников, C.B. Нефедов, А.Б. Путилин, Г.Г. Раннев, М.Ю. Рачков, В. А. Сурогина, А. П. Тарасенко. -М.: Высшая школа, 2002. -520 с.
35. Корнеенко В. П. Методы оптимизации. М.: Высшая школа, 2007. -664 с.
36. Корячко В. П. Теоретические основы САПР: учебник для вузов / В. П. Корячко, В. М. Курейчик, И. П. Норенков. М.: Энергоатомиздат, 1987. -400 с.
37. Косолапов А. М. Исследование трансформатора тока с коррекцией погрешности / А. М. Косолапов, Д. Н. Франтасов // Датчики и системы. -2010 №6. с. 55-58.
38. Косолапов А. М. Метод улучшения метрологических характеристик средств измерений с гальванической развязкой // Измерительная техника. -1990. -№4. -с. 43 -45.
39. Косолапов А. М. Параметрическая оптимизация измерителя мощности / А. М. Косолапов, С. В. Думин // Измерительная техника. 2007. -№10. — с.51-54.
40. Косолапов A.M. Защита информации в подсистемах сбора информационных систем. Транспорт, наука, бизнес: материалы Всероссийской научно-технической конференции / A.M. Косолапов, Д.Н. Франтасов. Екатеринбург: УрГУПС, 2008. с. 73-74.
41. Косолапов A.M. Трансформатор тока с цифровым блоком коррекции погрешности. Материалы VI Всероссийской дистанционной научно-практической конференции / A.M. Косолапов, Д.Н. Франтасов. Самара: СамГУПС, 2010. — с. 53-54.
42. Косолапов A.M. Улучшение метрологических характеристик трансформаторов тока с цифровым блоком коррекции погрешности / А. М. Косолапов, Д. Н. Франтасов // Вестник транспорта Поволжья. 2010 -№3(23). — с. 90-93.
43. Крутько П.Д. Алгоритмы и программы проектирования автоматических систем. / П.Д. Крутько, А.И. Максимов, JI.M. Скворцов. -М.: Радио и связь, 1988. -306 с.
44. Кудеяров Ю.А. Метрологическая экспертиза программного обеспечения средств измерений: учеб. пособие. М.: ФГУП «ВНИИМС», 2007. — 32 с.
45. Кузнецов В.П. Состояние и задачи метрологического обеспечения измерительных систем / В. П. Кузнецов, И. М. Тронова // Измерительная техника. 2004. — № 10.-с. 61-65.
46. Куликовский К.П. Методы и средства измерений / К.П. Куликовский, В.Я. Купер. М.: Энергоиздат, 1986. — 448 с.
47. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. -Л.: Энергоатомиздат, 1983. -320 с.
48. Лемаев Р. А. Новые методы контроля качества высоковольтных элементов силовой электроники // Новые промышленные технологии. -2007.-№4.-с. 61-62.
49. Лемаев Р. А. Спектральный киловольтметр, как средство контроля качества электрической энергии // Датчики и системы. 2007. — №4. -с. 26-27.
50. Лемаев Р. А. Цифровой киловольтметр с регистрацией формы и спектра сигнала // Электротехника. 2007. — № 4. — с. 57-59.
51. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».