автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмизация микропроцессорной обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики в электрических сетях

На правах рукописи

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ТЕРМИНАЛОВ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ АВТОМАТИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05 13 06- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ии131Ь1134

Краснодар - 2007

003161134

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом

университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Коробейников Борис Андреевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Атрощенко Валерий Александрович

кандидат технических наук, профессор Сингаевский Николай Алексеевич

Ведущая Филиал ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС» «Региональ-

организация ное диспетчерское управление энергосисте-

мами Республики Адыгея и Краснодарского края»

Защита диссертации состоится 14 ноября 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212 100 04 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г Краснодар, ул Московская 2А, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу 350072, г Краснодар, ул Московская, 2А

Автореферат разослан. 9 октября 2007 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 100 04 канд техн наук, доцент

Власенко А В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время вопросы повышения качества и надежности электроснабжения являются одними из важнейших направлений в развитии народного хозяйства страны Для успешного решения этих задач особое внимание уделяется вопросам создания новых и совершенствования существующих систем противоаварийной автоматики в электрических сетях

При эксплуатации электрических сетей за счет га носа оборудования в последнее время увеличилось количество аварийных ситуаций, которые приводят к отключению потребителей электрической энергии Рост генерирующих мощностей приводит к увеличению кратностей токов короткого замыкания, что, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности воз -никновения искажений в показаниях датчиков тока (трансформаторов тока), сигнал от которых поступает к терминалам противоаварийной автоматики Искажения сигнала от датчиков, при недостаточно эффективной обработке в терминале, приводят ложной работе противоаварийной автоматики, либо к её отказу, что, в свою очередь, может повлечь за собой значительные повреждения оборудования либо необоснованное отключение потребителей электроэнергии Указанные проблемы указывают на необходимость совершенствования алгоритмов и методик цифровой обработки поступающих сигналов, с целью улучшения показателей быстродействия, чувствительности, селективности и надежности распознавания аварийных ситуаций в электрических сетях

Быстрое развитие современных информационных технологий, микропроцессорной техники создают широкие возможности в решении вопросов разработки новых алгоритмов обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики электрических сетей

Диссертационная работа посвящена актуальной научной проблеме совершенствования алгоритмов обработки информации для терминалов

противоаварийной автоматики при искажениях информации от датчиков тока

Цель работы. Совершенствование алгоритмов работы терминалов противоаварийной автоматики посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить чувствительность, быстродействие, надежность и точность срабатывания защит, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях Задачи исследования:

- систематизация и исследование алгоритмов цифровой обработки сигналов для терминалов противоаварийной автоматики электрических сетей,

- исследование сигналов от датчиков тока (трансформаторов тока) при их искажениях на основе математических моделей,

- выявление устойчивых информационных признаков сигналов, позволяющих обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков,

- разработка нового быстродействующего математического алгоритма обработки сигнала от датчика тока, позволяющего выделять необходимую информацию из искаженного сигнала,

- разработка структуры терминала гфотивоаварийной автоматики,

- разработка программного обеспечения и математических моделей для исследования работы терминала противоаварийной автоматики при искажениях информации,

- проведение экспериментальных исследований, доказывающих работоспособность разработанных методов и устройств

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались программное, математическое и физическое моделирование, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, дискретное

моделирование переходных процессов на ЭВМ, теория электрических цепей и сигналов

Научная новизна.

- сформулированы устойчивые базовые информационные признаки искаженного сигнала от датчиков тока, позволяющие определить наличие искажений в сигнале в реальном времени,

- разработан быстродействующий алгоритм обнаружения аварийной ситуации на ранней стадии её развития, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока, и подачи команды на отключение до момента наступления пикового значения тока короткого замыкания,

- предложена структурная схема устройства компенсации искажений сигнала от датчиков тока в реальном времени

Практическая ценность:

- выполнена программная реализация и получены результаты комплексных расчетов погрешности разработанного алгоритма ЦОС при искажении информации трансформатором тока,

- разработана структура терминала противоаварийной автоматики электрических сетей, обеспечивающая обработку информации при ее искажениях,

Результаты исследования, представленные в диссертации, были использованы при разработке и изготовлении опытного промышленного образца терминала для новой микропроцессорной токовой релейной защиты воздушных линий электропередач напряжением 6-1 ОкВ по заданию ОАО «Кубаньэнерго» ОАО «Компания «РИТМ» (г.Краснодар).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета,

- на научно-практической конференции Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2005,2006,2007),

- на всероссийской научно-технической конференции «Основные пути решения технической и технологической полигики в распределительных сетях» (Дивном орск, 2005г.).

Опытный промышленный образец терминала токовой релейной защиты воздушных линий электропередачи, изготовленный в ОАО «Компания «РИТМ» с использованием результатов диссертационной работы был удостоен бронзовой медали на VII Московском международном салоне исследований и инвестиций (5-8 февраля 2007 года)

Публикации По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 1 - в периодическом издании, рекомендованном ВАК России для публикации научных работ

Основные положения, выносимые на защиту

- устойчивые информационные признаки сигналов, позволяющие установить наличие искажений в сигнале от датчиков тока в реальном времени,

- алгоритм ЦОС, позволяющий обнаружить развитие аварии на начальной стадии, корректно работающий в условиях искажения сигнала от датчика тока,

- структурная схема устройства компенсации искажений сигнала от датчиков тока в реальном времени

Структура и объём диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, четырёх приложений и списка литературы (90 наименований) Работа содержит 127 страниц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена научная проблема, поставлены цели и задачи исследования

В первой главе выявлены особенности работы терминалов противо-аварийных защит при коротких замыканиях, приведены данные о работе известных алгоритмов цифровой обработки сигналов в существующих терминалах токовой защиты с указанием недостатков их работы, обоснована актуальность совершенствования алгоритмов цифровой обработки сигналов в терминалах токовых защит, поставлены задачи исследования

Во второй главе приведен математический анализ поведения датчиков тока (трансформаторов тока) при воздействиях сверхтоков с позиции выявления информационных признаков сигнала, устойчивых к возникающим искажениям

В качестве датчиков тока в подавляющем большинстве устройств, являющихся частью энергосистемы, применяются трансформаторы тока, выполняющие функции гальванической развязки и преобразования мгновенного значения тока в пропорционально меньший сигнал, подаваемый в противоаварийный терминал для дальнейшей обработки В диссертации предложен новый алгоритм ЦОС, основной задачей которого является максимально быстрое выделение из искаженного сигнала информации, необходимой для принятия терминалом оперативного решения по отключению поврежденного участка

Для построения данного алгоритма был проведен анализ режимов работы трансформаторов тока в условиях коротких замыканий на основе математической модели трансформатора тока, с выявлением информационных признаков и закономерностей, характерных для сигнала, искаженного вследствие насыщения сердечника трансформатора тока На основе этих признаков можно определить режим работы трансформатора тока и

характер искажений сигнала, поступающего в терминал, в реальном времени

а) если текущий ток возрастает по абсолютной величине, значит сердечник трансформатора либо не насыщен, либо текущий ток находится на ступеньке насыщенного сигнала

б) если убывание первой производной тока сменилось возрастанием при соблюдении критерия а), значит фрагмент кривой тока в промежутке времени от последнего момента пересечения оси абсцисс (нуля) до текущего момента являлся ступенькой насыщения

в) если первая производная тока снижает свое абсолютное значение при одновременном снижении абсолютного значения тока, значит, трансформатор находится в режиме насыщения

Графическая интерпретация информационных критериев представлена на рис. 1

Результаты исследований, проведенных в главе 2, являются основой для разработки алгоритма ЦОС, позволяющего компенсировать искажения, возникающие в результате перегрузки трансформаторов тока

Третья глава посвящена разработке метода борьбы с искажениями сигнала и увеличения быстродействия срабатывания защиты В данной главе

- разработан и протестирован с помощью математического моделирования алгоритм ЦОС, устойчивый к искажениям, возникающим в сигнале от датчиков тока,

- проведен аналт быстродействия и потенциальной применимости алгоритма ЦОС для противоаварийных устройств упреждающего действия,

- предложена структура устройства, позволяющая компенсировать искажения сигнала от трансформатора тока в реальном времени

........ "П г и \

1 /

,Л\>......

* щ - \ %............... ................у

\ \ I

/ с \ А 1....

; 1 ;

...............

1 |

--"

сим Критерий А 1 •л

я ■ ■

1 Критерий Б |

Критерий 1} 1 J

j Г

Рисунок 1 - Действие информационных критериев оценки искаженного

сигнала

Предлагаемый алгоритм ЦОС обладает следующим и достоинствам и:

- возможность вычисления амплитуды периодической составляющей искаженного сигнала;

— низкая восприимчивость к искажениям, вносимым датчиком (трансформатором тока);

- низкая восприимчивость к апериодической составляющей в первичном сигнале,

- низкая восприимчивость к шумам (отсутствие в вычислениях производных входного сигнала любого порядка)

Графические зависимости, отображающие результат работы алгоритма ЦОС приведены на рис 2

Исследование работы предлагаемого алгоритма ЦОС дали следующие результаты

- погрешность алгоритма неизменна для диапазона полной погрешности ТТ от нуля и до величины, при которой момент входа в насыщение переходит на возрастающий участок кривой, при этом погрешность для данного режима равна погрешности обработки аналогичной кривой, не содержащей искажений Приближенно полную погрешность по ГОСТ 77462001, при которой момент входа в насыщение переходит на возрастающий участок кривой, можно принять равной 3540%, те алгоритм полностью не чувствителен к искажениям, вносимым трансформатором тока, если полная погрешность в данном режиме менее 35-40%,

- максимальная погрешность алгоритма на участке из двух полупериодов, зафиксированная на конце обрабатываемых полезных участков, при полной погрешности ТТ лежащей в диапазоне 60-80% не превышает 4% для сигнала с апериодической составляющей, и 0,2% для синусоидального сигнала,

ыо

*1в. %

;:__I _д

t V аэ| сс| •: о С1

Рисунок 2 - Результат работы алгоритм а ЦОС по вычислению ам -плигуды периодической составляющей в сиг нале, содержащем апериодическую составляющую (фк=30°)

-результаты вычислений, проведенных алгоритмом на первом полупериоде, применимы для генерирования команды на отключение поврежденного участка на самых ранних стадиях - ещё на первой четверги первого полупериода развития аварии. Следовательно, при применении быстродействующего коммугациошюго устройства (например, полупроводникового) в

качестве выключателя поврежденного участка, можно произвести отключение еще до возникновения ударного тока, т е выполнить функцию защиты упреждающего действия,

- промежуток времени от момента физического возникновения короткого замыкания до начала выдачи информации предлагаемым алгоритм см ЦОС равен ~1мс

Приведенный алгоритм целесообразно использовать не только в терминалах токовой защиты. Так как в настоящее время очень распространены электромеханические реле, и экономические затраты на перевод релейной защиты на современный уровень очень велики, в диссертации предложена структура устройства, работающего на базе разработанного алгоритма, и позволяющего компенсировать искажения вторичного тока в цепях устройств существующей релейной защиты на базе электромеханических реле

В четвертой главе предложены архитектура и пример реализации функциональных блоков противоаварийного терм инала токовой защиты

Для наиболее простой и наглядной организации устройства следует разбить его на функциональные блоки, каждый из которых будет отвечать за определённый спектр задач. Данное разбиение может быть как на физическом (выделение отдельных блоков, плат, процессоров), так и на логическом (отдельные части программы одного микропроцессорного модуля) уровнях

Для микропроцессорного терминала защиты воздушной линии 6-10 кВ функциональная схема устройства может иметь вид, показанный ш рис 3. Как видно из рисунка, блок имеет несколько входных и выходных сигналов, а именно

Входные сигналы

- контролируемый сиг нал—ток после трансф орм атора тока,

- сигнал управления от устройства НМ1,

- сигналы управляющих входов,

- сигналы от стандартных интерфейсов

Выходные сигналы

- сигнал управления выходными органами,

- сигналы управления устройствам и НМ1,

- сигналы, передаваемые через стандартные интерфейсы

Контролируемый сигнал

НМ1

Управление

т

Отображение информации

Управляющие Входы

Управляющие Выходы

Стандартные интерфейсы

N

t '3

* Ез =3 О!

У о а

V «о

Л 1

V

ь о а.

Ч1 1

% ¡й из

V

Аварийный осциллограф

А

Блок перйичной

обработки

информации

АЦП

Сигнал начала

аВарии

Блок Восстанод-ления

информации

Блок контроля Выдержки Времени

Блок контроля устаВок срабатывания и реализации Время-токоВых характеристик

Блок управления Выходными органами

Д-

Выходные органы

Рисунок 3 - Функциональная схема токовой защиты воздушной линии 6-10 кВ

Центром обработки информации, поступающей от датчика тока (трансформатора тока), реализующим предлагаемый алгоритм ЦОС, - является тракт «Блок первичной обработки информации»-«АЦП»-«Блок восстановления информации» Этот тракт является первостепенным по важности и надежности

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований. В данной главе приведены

- результаты физического моделирования работы экспериментального лабораторного образца устройства, предназначенного для апробации предложенного алгоритма ЦОС,

- структура лабораторной установки для проведения экспериментов

В данной главе графически представлены (см рис 4) снятые временные зависимости следующих величин

1© - входной сигнал, содержащий искажения от датчика тока, Ь^) — амплитуда периодической составляющей сигнала, согласно вычислениям предложенного алгоритма ЦОС

Эксперименты показали, что результат вычисления амплитуды периодической составляющей тока, происходящий в процессе поступления данных, отклоняется от результатов теоретического исследования не более чем на 3,2% Результирующая относительная погрешность вычисления амплитуды периодической составляющей сигнала (а значит, точность срабатывания защиты)не превышает 4,6%

При сравнении результатов работы стандартных алгоритмов ЦОС в сравнении с предлагаемым, отчетливо видно, что во втором случае результаты вычислений стабильнее, чем по алгоритмам, приведенным в гл 1, что выражается в меньшей погрешности, а также в большей стабильности и достоверности величины на участках кривых, не подверженных искажениям

Рисунок 4 - Работа предлагаемого алгоритма ЦОС в случае синусоидального первичного сигнала с апериодической составляющей, искажениями 40%, Та=0,03с, фк=60°, 1п=5000А

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения работы были получены следующие основные выводы и результаты

1 Анализ существующих алгоритмов ЦОС аварийного сигнала, применяемых в существующих терминалах и описанных в литературе, показал, что они обладают значительными погрешностями в переходных процессах аварийных режимов и не обеспечивают должной точности срабатывания

2 В результате анализа математической модели датчика тока (трансформатора тока) установлено, что мгновенный сигнал, поступающий в терминал, представляет собой последовательность искаженных и неискаженных участков, при этом длительность этих участков определяется режимом работы датчика

3 Анализ математической модели трансформатора тока позволил вывести информационные признаки сигнала, позволяющие своевременно обнаруживать переходы кривой сигнала из одного участка в другой и определять наличие искажений в сигнале в текущий момент

4 Разработан алгоритм ЦОС, предназначенный для вычисления амплитуды периодической составляющей сигнала, устойчивый к наличию апериодической составляющей сигнала, искажениям от насыщения трансформатора тока

5 Максимальная величина относительной погрешности разработанного алгоритма ЦОС на участке из двух полупериодов, при искажении сигнала трансформатором тока, лежащем в диапазоне 60%, не превышает 4% для сигнала с апериодической составляющей, и 0,2% - для синусоидального сигнала В сравнении с существующими алгоритмами ЦОС, улучшены показатели точности

6 Применение разработанного алгоритма ЦОС позволяет построить противоаварийный терминал упреждающего действия.

7 На основе разработанного алгоритма ЦОС предложена структурная схема устройства, предназначенного для компенсации искажений от датчиков тока в существующих цепях защиты и автоматики электросетей

8 Результаты экспериментов показали совпадение с теоретическими исследованиями с погрешностью, не превышающей 3,2%; а результирующая относительная погрешность восстановления амплитуды периодической составляющей не превысила 4,6%

9 Результаты диссертационной работы использованы ОАО «Компания «РИТМ» при разработке опытного образца токовой микропроцессор-нойзащигы воздушной линии электропередач 6-10кВ

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Коробейников Б А, Гончаров АХ Алгоритм предсказания амплитудного значения переменного синусоидального тока в блоках микропроцессорной релейной защиты // Электроэнергетические комплексы и системы Материалы научно-практической конференции Кубн гос технол ун-т -Краснодар Изд ШУ ВПО КубПУ, 2005 -С 16-18

Коробейников Б А , Гончаров А К Информационные признаки смещения перехода кривой вторичного тока через ноль и определение величины смещения //Электроэнергетические комплексы и системы Материалы международной научно-практической конференции Кубн гос технол ун-т Краснодар Изд ШУ ВПО КубГТУ, 2006 -С 34-37

Коробейников Б А , Гончаров А К Оценка погрешности алгоритма предсказания амплитудного значения переменного синусоидального тока в блоках микропроцессорной релейной защиты // Электроэнергетические комплексы и системы Материалы научно-практической конференции Кубн. гос технол ун-т - Краснодар Изд ГОУ ВПО КубГТУ, 2005 -С 19-22

Коробейников Б А., Гончаров АК Помехоустойчивый алгоритм восстановления информации в системах микропроцессорных релейных защит // Электроэнергетические комплексы и системы Материалы международной научно-практической конференции Кубн. гос технол ун-т Краснодар Изд ШУ ВПО КубПУ, 2006 -С 3133

Оценка погрешности алгоритма восстановления сигнала при наличии несинусоидального тока для микропроцессорной релейной за-

щиты / Коробейников Б А , Гончаров AJK , Ищенко АЛ, Сидоров ДИ // Электроэнергетические комплексы и системы Материалы международной научно-практической конференции Кубн гос тех-нол ун-т Краснодар Изд ШУ ВПОКубГТУ, 2007 -С 86-89.

6 Оценка погрешности алгоритма восстановления искаженного сигнала при конечной частоте 1ЦП для токовой микропроцессорной релейной защиты /Коробейников Б А, Гончаров AJEC , Смаглиев АМ , Сидоров ДЛ // Электроэнергетические комплексы и системы Материалы международной научно-практической конференции. Кубн гос технол ун-т Краснодар. Изд ГОУ ВПОКубГТУ, 2007 -242с

7 Разработка и освоение производства микропроцессорной релейной защиты воздушных линий электропередач 6-1 Окв на основе оригинальных быстродействующих методов измерения искаженных электрических сигналов в сетях при аварийных ситуациях / Коробейников Б А , Гончаров A JC , Фабричнев Г В , Осипов ИЛ // Материалы всероссийской научно-технической конференции Основные пути решения технической и технологической политики в распределительных сетях. - УДК 621 311.1, БЕК 31 279. - Дивном орск, 2005 -С 69-74

8 Гончаров AJC Повышение надежности электроснабжения предприятий пищевой промышленности // Известия ВУЗов. Пищевая технология -2006 — №6 -С 74-76

Подписано в печать 09 10 07. Печать трафаретная Формат 60x84 1/16 Усл. печ л 1,5. Тираж 100 экз Заказ № 43

ООО «Издательский Дом-ЮГ» 350072, г Краснодар, ул Московская 2, корп «В», оф В-120 тел /факс (861) 274-68-37

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ТЕРМИНАЛОВ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ АВТОМАТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.

1.1 Сигналы в электрических сетях при аварийных ситуациях.

1.2. Токовые защиты в системах электроснабжения.

1.3 Функции микропроцессорных терминалов противоаварийной автоматики электрических сетей и анализ существующих алгоритмов обработки аварийных сигналов.

1.3.1 Основные функции микропроцессорного терминала токовой защиты.

1.3.2 Существующие алгоритмы ЦОС от датчиков тока. Алгоритм выделения амплитуды синусоидальной составляющей с разложением на синусную и косинусную составляющие сигнала.

1.3.3 Существующие алгоритмы ЦОС от датчиков тока. Алгоритм выделения амплитуды синусоидальной составляющей с использованием дифференцирования.

1.4 Постановка задач совершенствования алгоритмов для терминалов противоаварийной автоматики.

1.5 Выводы.

2 АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ АВАРИЙНЫХ СИГНАЛОВ, ПОДАВАЕМЫХ В ТЕРМИНАЛ ЗАЩИТЫ.

2.1 Анализ сигналов от датчиков тока в аварийных режимах.

2.1.1 Датчики тока в энергосистеме.

2.1.2 Математическая модель трансформатора тока.

2.1.3. Режимы работы трансформатора тока в установившемся режиме при синусоидальном первичном токе на отдельном участке кривой намагничивания.

2.1.4 Режим работы трансформатора тока при наличии апериодической составляющей в первичном токе.

2.1.5 Граничные условия при переходе с одного участка характеристики намагничивания на другой.

2.1.6 Влияние остаточной индукции на форму кривой вторичного тока.

2.1.7 Моделирование поведения трансформатора тока на основе дискретных отсчетов первичного тока.

2.2 Информационные признаки сигналов при искажениях вторичного тока от трансформаторов тока.

2.3 Выводы.

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ЦОС ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ПРИ НАЛИЧИИ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ТРАНСФОРМАТОРАМИ ТОКА.

3.1 Алгоритм ЦОС при искажениях в случае синусоидального первичного тока с апериодической составляющей.

3.1.1 Структура рассматриваемого терминала.

3.1.2 Математические преобразования, используемые в алгоритме ЦОС на неискаженных участках.

3.1.3 Определение пересечения оси абсцисс кривой первичного тока при наличии ступеньки насыщения во вторичном токе.

3.1.4 Мгновенные погрешности математических преобразований алгоритма ЦОС.

3.2 Общий алгоритм работы защитного микропроцессорного терминала с применением предлагаемого алгоритма ЦОС.

3.3 Коррекция искаженного сигнала в реальном времени.

3.4 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ.

4.1 Разработка архитектуры микропроцессорной токовой защиты.

4.1.2 Основные параметры терминала микропроцессорной токовой защиты.

4.1.2 Построение архитектуры устройства в соответствии с содержащимися группами параметров.

4.2 Разработка функциональных блоков терминала токовой защиты.

4.2.1 Общие положения.

4.2.2 Блок первичной обработки информации.

4.2.3 Блок АЦП.

4.2.4 Блок восстановления информации.

4.2.5 Блок контроля внешних взаимодействий, блок контроля уставок срабатывания и реализации время-токовых характеристик, блок контроля выдержки времени, блок управления выходными органами.

4.2.6 Управление и отображение информации НМ1.

4.2.7 Интерфейс подключения модуля к ПК.

4.2.8 Распределение задач между контроллерами.

4.2.9 Интерфейс управления с помощью компьютера - программа «ПКБРЗ 1.0» и её взаимодействие с ПО аппаратного уровня модуля защиты.

4.5 Выводы.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Математическое моделирование насыщающегося трансформатора тока в среде Ма&аЬ 6.5.

5.2 Экспериментальные исследования.

5.2,1 Общие положения.

5.2.2 Экспериментальное исследование алгоритма восстановления информации, учитывающего наличие апериодической составляющей в сигнале.

5.3 Внедрение результатов исследований при разработке технических условий и создании промышленного образца микропроцессорной защиты воздушной ЛЭП 6-10кВ в научно-производственной компании «Ритм».

5.4 Выводы.

В настоящее время вопросы повышения качества и надёжности электроснабжения являются одними из важнейших направлений в развитии народного хозяйства страны. Для успешного решения этих задач особое внимание уделяется вопросам создания новых и совершенствования существующих систем противоаварийной автоматики в электрических сетях.

При эксплуатации электрических сетей за счет износа оборудования в последнее время увеличилось количество аварийных ситуаций, которые приводят к отключению потребителей электрической энергии. Рост генерирующих мощностей приводит к увеличению кратностей токов короткого замыкания, что, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности возникновения искажений в показаниях датчиков тока (трансформаторов тока), сигнал от которых поступает к терминалам противоаварийной автоматики. Искажения сигнала от датчиков, при недостаточно эффективной обработке в терминале, приводят ложной работе противоаварийной автоматики, либо к её отказу, что, в свою очередь, может повлечь за собой значительные повреждения оборудования либо необоснованное отключение потребителей электроэнергии. Указанные проблемы указывают на необходимость совершенствования алгоритмов и методик цифровой обработки поступающих сигналов, с целью улучшения показателей быстродействия, чувствительности, селективности и надежности распознавания аварийных ситуаций в электрических сетях.

Быстрое развитие современных информационных технологий, микропроцессорной техники создают широкие возможности в решении вопросов разработки новых алгоритмов обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики электрических сетей.

Диссертационная работа посвящена актуальной научной проблеме совершенствования алгоритмов обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики при искажениях информации от датчиков тока.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских ра- -бот кафедры электроснабжения промышленных предприятий Кубанского Государственного Технологического Университета по теме «Совершенствование электротехнических комплексов и электроэнергетических систем» (per. номер 5.1.06-10).

Целью работы является совершенствование алгоритмов работы терминалов противоаварийной автоматики посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить чувствительность, быстродействие, надежность и точность срабатывания защит, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях.

Для достижения поставленной цели, решены следующие задачи:

• Систематизация и исследования алгоритмов цифровой обработки сигналов для терминалов противоаварийной автоматики электрических сетей;

• Исследование сигналов от датчиков тока (трансформаторов тока) при их искажениях на основе математических моделей;

• Выявление устойчивых информационных признаков сигналов, позволяющих обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков;

• Разработка нового быстродействующего математического алгоритма обработки сигнала от датчика тока, позволяющего выделять необходимую информацию из искаженного сигнала;

• Разработка структуры терминала противоаварийной автоматики;

• Разработка программного обеспечения и математических моделей для исследования работы терминала противоаварийной автоматики при искажениях информации;

• Проведение экспериментальных исследований, доказывающих работоспособность разработанных методов и устройств.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались программное, математическое и физическое моделирование, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, методы дискретного моделирования переходных процессов на ЭВМ, теория электрических цепей и сигналов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулированы устойчивые базовые информационные признаки искаженного сигнала от датчиков тока, позволяющие определить наличие искажений в сигнале в реальном времени;

2. Разработан быстродействующий алгоритм обнаружения аварийной ситуации на ранней стадии её развития, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока, и подачи команды на отключение до момента наступления пикового значения тока короткого замыкания;

3. Предложена структурная схема устройства компенсации искажений сигнала от датчиков тока в реальном времени.

Автор выносит на защиту:

1. Устойчивые информационные признаки сигналов, позволяющие установить наличие искажений в сигнале от датчиков тока в реальном времени;

2. Алгоритм ЦОС, позволяющий обнаружить развитие аварии на начальной стадии, корректно работающий в условиях искажения сигнала от датчика тока;

3. Структурную схему устройства компенсации искажений сигнала от датчиков тока в реальном времени.

Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Выполнена программная реализация и получены результаты комплексных расчётов погрешности разработанного алгоритма ЦОС при искажении информации трансформатором тока.

2. Разработана структура терминала противоаварийной автоматики электрических сетей, обеспечивающая обработку информации при её искажениях.

3. Подтверждается соответствующим актом о внедрении основных результатов исследований при изготовлении ОАО НПК РИТМ опытного промышленного образца терминала противоаварийной автоматики.

Полученные результаты диссертации были использованы при разработке и изготовлении опытного промышленного образца терминала для новой микропроцессорной токовой релейной защиты воздушных линий электропередач напряжением 6-10кВ по заданию ОАО «Кубаньэнерго» научно-производственной компанией «РИТМ» (г.Краснодар).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

• на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета;

• на научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2005, 2006, 2007);

• на всероссийской научно-технической конференции «Основные пути решения технической и технологической политики в распределительных сетях» (Дивноморск, 2005г.).

Опытный промышленный образец терминала токовой релейной защиты воздушных линий электропередачи, изготовленный в ОАО «НПК Ритм» с использованием результатов диссертационной работы был удостоен бронзовой медали на VII Московском международном салоне исследований и инвестиций (5-8 февраля 2007 года).

Публикации. Основные положения работы оформлены в виде статей в следующих изданиях:

• научно-практической интернет-конференции «Модели, алгоритмы и программы в электротехнической промышленности» Армавирского Механи-ко-Техничексого Института (2004г);

• «Электроэнергетические комплексы и системы», материал научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2005год);

• «Основные пути решения технической и технологической политики в распределительных сетях», результаты всероссийской научно-технической конференции (Дивноморск, 2005г.);

• «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы международной научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2006год);

• «Электроэнергетические комплексы и системы», материалы международной научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2007год);

• «Пищевая технология» (Краснодар, декабрь, 2006).

Всего по результатам диссертационной работы опубликовано 9 статей.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 137 страниц,

5.4 Выводы

1. Современные подходы и возможности моделирования работы трансформаторов тока на ЭВМ позволяют создать программный комплекс для моделирования исследуемых сигналов от модели трансформатора тока.

2. Результаты экспериментов показали совпадение с теоретическими исследованиями с погрешностью, не превышающей 3,2%; а результирующая относительная погрешность восстановления амплитуды периодической составляющей не превысила 4,6%.

3. Положительные результаты исследований позволили применить предложенные методы в серийном производстве на базе ОАО НПК «Ритм» при разработке серийного образца токовой микропроцессорной защиты воздушной линии электропередач 6-10кВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы были получены следующие основные выводы и результаты:

1. Анализ существующих алгоритмов ЦОС аварийного сигнала, применяемых в существующих терминалах и описанных в литературе, показал, что они обладают значительными погрешностями в переходных процессах аварийных режимов и не обеспечивают должной точности срабатывания.

2. В результате анализа математической модели датчика тока (трансформатора тока) установлено, что мгновенный сигнал, поступающий в терминал, представляет собой последовательность искаженных и неискаженных участков, при этом длительность этих участков определяется режимом работы датчика.

3. Анализ математической модели трансформатора тока позволил вывести информационные признаки сигнала, позволяющие своевременно обнаруживать переходы кривой сигнала из одного участка в другой и определять наличия искажения в сигнале в текущий момент.

4. Разработан алгоритм ЦОС, предназначенный для вычисления амплитуды периодической составляющей сигнала, устойчивый к наличию апериодической составляющей сигнала, искажениям от насыщения трансформатора тока.

5. Максимальная величина относительной погрешности разработанного алгоритма ЦОС на участке из двух полупериодов, при искажении сигнала трансформатором тока, лежащем в диапазоне 60%, не превышает 4% для сигнала с апериодической составляющей, и 0,2% для синусоидального сигнала. В сравнении с существующими алгоритмами ЦОС, улучшены показатели точности.

6. Применение разработанного алгоритма ЦОС позволило построить про-тивоаварийный терминал упреждающего действия.

7. На основе разработанного алгоритма ЦОС предложена структурная схема устройства, предназначенного для компенсации искажений от датчиков тока в существующих цепях защиты и автоматики электросетей.

8. Результаты экспериментов показали совпадение с теоретическими исследованиями с погрешностью, не превышающей 3,2%; а результирующая относительная погрешность восстановления амплитуды периодической составляющей не превысила 4,6%.

9. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «НПК Ритм» при разработке опытного образца токовой микропроцессорной защиты воздушной линии электропередач 6-1 ОкВ.

1. АББ Автоматизация. Комплектные устройства защиты и автоматики серии SPAC800. Чебоксары, 2003. - 23с.

2. АББ Автоматизация. Микропроцессорные многофункциональные фидерные терминалы серии REF54. Чебоксары, 2003. 39с.

3. АББ Автоматизация. Терминал защиты линий электропередачи REL 511R*2.3. Чебоксары, 2003. 219с.

4. ADSP-2185N datasheet Rev. 0. Analog Devices, 2001. 32c. - на англ. яз.

5. ADSP-218x hardware reference Rev. 0. Analog Devices, 2001. 470c. - на англ. яз.

6. ADSP-218x instruction set reference Rev. 0. Analog Devices, 2001. -300c. на англ. яз.

7. ADSP-2191M DSP microcomputer datasheet, Rev. A, Analog Devices, 2003. 48c, - на англ. яз.

8. ADSP-219x Instruction Set Reference, Rev. 0. Analog Devices, 2003. -450c. на англ. яз.

9. ADSP-219x/2191 hardware reference, Rev. 0. Analog Devices, 2003. -750c. на англ. яз.

10. ALSTOM MiCOM P120,P121,P122 and PI23 Universal Overcurrent Relays, transmission & distribution, Protection & Control, 60 Route de Sartouville, BP58, 78230 Le Pecq Cedex. France. 20c. - на англ. яз.

11. Application Note AN-354, Analog Devices. 2c. - на англ. яз.

12. AVR Atmegal28(L) datasheet preliminary ATMEL corp. - 33 lc. - на англ. яз.

13. Datasheet AD7899 Rev. A. Analog Devices. 16c. - на англ. яз.

14. Datasheet LTC1608, snl608 LT/TP 0601 2K. 20c. - на англ. яз.

15. Datasheet TL358, Texas Instruments, 2004. 20c. - на англ. яз.

16. MTC-S16201XFGHSAY, LCD Module Specification for customer's approval, Microtips Technology Inc. 25c. - на англ. яз.

17. REF 19x Series, Precision Micropower, Low Dropout Voltage References, Rev. H Analog Devices, 2005. - на англ. яз.

18. SEP AM 1000+ Protection and Control, Schneider Electric Industries S A, F-38050 Grenoble cedex 9. PCRED399039EN /3. 33 lc. - на англ. яз.

19. SEPAM 100LA Self-Powering Protection, Schneider Electric Industries SA, F-38050 Grenoble cedex 9. 206. - на англ. яз.

20. USB FIFO FT245BM datasheet, Future Technologies Device Intl., Version 1.6, 2005. 24c. - на англ. яз.

21. A.c. 1417097 СССР, МКИ3 Н 02 Н 5/10 Устройство для защиты линии электропередачи / В.А. Андреев, И.О. Карпов, АЛ. Дубов, A.JI. Буймистер (СССР). №4181207/24-07; Заявл. 12.01.87, Опубл. 15.08.88; Бюл. №30.

22. Агуров П.В. Интерфейс USB. Практика использования и программирования.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 576с.

23. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: Высшая школа, 2006. - 639с.

24. Афанасьев В.В., Адоньев НМ, Кибель В.М, и др. Трансформаторы тока. -2-е изд., перераб. и доп.- JI: Энергоатомиздат, 1989. 191с.

25. Беркович М.А., Семенов В,А. Основы автоматики энергосистем. -М.: Энергия, 1968.-432с.

26. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1989.-448с.

27. Блок микропроцессорный релейной защиты БМРЗ. Руководство по эксплуатации ДИВГ.648228.001 РЭ. НТЦ Механотроника, 2002. -62с.

28. Боярчук А.К., Головач Г.П. Справочное пособие по высшей математике. Дифференциальные уравнения в примерах и задачах. Изд. 4-е: В 5 т. М: Едиториал УРСС, 2003. - Т.5 - 384с.

29. Булычев A.B., Ванин В.К., Кривченко Г.И. и др. Аналоговая и цифровая электроника для средств релейной защиты. Учеб. пособие. -СПб.: Изд. СПбГТУ, 1998. 127с.

30. Бадовский Н.Р. Быстродействующая защита сельских линий напряжением ЮкВ.Изв. вузов. -М: Энергетика. 1981. №7.- 117с.

31. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб и доп. JL: Энергия 1974.-840с.

32. Гончаров А.К. Повышение надежности электроснабжения предприятий пищевой промышленности. // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2006. - №6. - С.74-76.

33. ГОСТ 7746-2001 Трансформаторы тока. Общие технические условия. УДК 621.314.224:006.354. Введен в 2003г.

34. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике. JI.: Энерго-атомиздат, 1990. - 206с.

35. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборо-строит. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк. 1991 - 622с.

36. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. JL: Энерго-атомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. 147с.

37. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и расчёт электрических цепей. М.: Высш. школа, 1988. - 335с.

38. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. / Дьяков А.Ф. Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П.; Под ред. А.Ф. Дьякова. М.; Энергоатомиздат, 2003. - 207с.

39. Ищенко Д.А. Быстродействующий автоматический ввод резерва для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями: Дисс. канд. техн. наук; 05.09.03. Краснодар, 2002. -199с.

40. Казанский В.Е. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты, изд. 2-е^ереработ. М., Энергия, 1969. - 184с.

41. Казанский В.Е. Трансформаторы тока в устройствах релейной защиты и автоматики: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1978. -264с.

42. Калахан Д. Методы машинного расчёта электронных схем. М.: Мир, 1970.- 127с.

43. Ковалев 10.3. Методы решения динамических задач электромеханики на ЦЭВМ. Омск: Омский полит. Ин-т, 1984. - 321с.

44. Ковач К.П., Рац П. Переходный процессы в машинах переменного тока. М.: Энергия, 1963. - 744с.

45. Королёв Е.П., Либерзон Э.М. Расчёты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. М.: Энергия, 1980. - 208с.

46. Лайонс Р., Цифровая обработка сигналов, ISBN 5-9518-0149-4, 0-13-108989-7,2006г.-256с.

47. Левинштейн М.Л. Операционное исчисление и его применение к задачам электротехники. М.: Энергия, 1964. - 466с.

48. Новелла В.Н. Методика восстановления вектора составляющей промышленной частоты для МП систем реального времени. В Тр. НИИПТ. Л.: Энергоатомиздат, 1991. -23с.

49. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем: РД 34.35.310-97. М.: СПО ОРГРЭС, 1997.-35с.

50. Овчаренко Н.И Элементы автоматических устройств энергосистем. Учеб. для вузов, М.: Энергоатомиздат, 1995. - 232с.

51. Овчаренко Н.И. Аналоговые элементы микропроцессорных комплексов релейной защиты и автоматики, приложение к журналу Энергетик, выпуск 9. - М.: 2001г. - 25с.

52. Овчаренко Н.И. Микропроцессорные комплексы релейной защиты и автоматики распределительных электрических сетей, Приложение к журналу Энергетик, выпуск 7. - М.: 1999. - 22с.

53. Овчаренко Н.И. Элементы автоматических устройств энергосистем. Учебник для вузов. В 2-х кн. - М.: Энергоатомиздат, 1995.

54. Поляков В.Е., Жуков С.Ф., Проскурин Г.М. и др. Теоретические основы построения логической части защиты и автоматики энергосистем / Под ред. В.Е,Полякова. М., 1979. 412с.

55. Попов И.Н., Лачугин В.Ф., Соколов Г.В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. М., 1986. 345с.

56. Правила устройства электроустановок. М.: Издательство стандартов, 1998.-720с.

57. Рихтер Д.- Windows 32 для профессионалов: создание эффективных Win32 приложений с учётом специфики 64-разрядной версии Windows/Пер. с англ. 4-е имзд. - СПб.: Питер; М.: Издательско-торговый дом Русская Редакция, 2001. - 752с.

58. Рубашов Г.М. Бесконтактная аппаратура в системах электроснабжения. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 76с.

59. РубашовГ.М. бесконтактная аппаратура в системах электроснабжения.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 120с.

60. Сарычев С.С. Катушка Роговского для целей релейной защиты и измерений // Энергетик . №4. 1999. С. 25-29.

61. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. М.: Мир, 1988. - 366с.

62. Страуструп Б. Язык программирования С++, 3-е изд./Пер с англ. -СПб.; М.: Невский диалект - Издательство БИНОМ, 1999г. - 991с.

63. Сушко В. Микропроцессорные защиты присоединений 6-35кВ. Сравнительный анализ. Новости электротехники 1(43), 2007. - С. 1421.

64. Тейксейра С., Пачеко К. Delphi 5 Руководство Пользователя, в 2х томах. Пер. с англ. - М.: Издательский дом Вильяме, 2001. - 832 с.

65. Темкина Р.В. Измерительные органы релейной защиты на интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352с.

66. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 5-е изд., стер. -М.: Высш. шк., 1998. - 542с.

67. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. Учебник для электротехнических и энергетических вузов и факультетов. М., Энергия, 1970. 520 с. с илл.

68. Усачев Ю.В. Релейная защита и автоматика Единой энергосистемы Росси. // Энергетика. 2001. №3. С.7-14.

69. Федоров A.A., Каменов В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий М,: Энергия, 1979. - 408с.

70. Федоров Э.К., Шнеерсон Э.М. Новые блоки для комплектного устройства защиты // Электр. Станции. 1998. №6. С. 11-14.

71. Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем: Учебное пособие для вузов. Репр. воспр. Изд. 1984г. -М.: Издательство МЭИ, 2004.-417с.

72. Фолкенберри JI. Применение Операционных усилителей и ли-ненйных ИС, Пер. с англ. М.: Мир, 1985 - 572с.

73. Циглер Г. Цифровая дистанционная защита. Принципы и применение. - М.: Энергоиздат, 2005. - 115с.

74. Черников Б.Г., Евликов А.А. Трансформаторы тока в схемах вентильных преобразователей. -М.: Энергия, 1978. 136с.

75. Чернобровов Н.В. Релейная защита. Изд. 4-е перераб и доп. М., Энергия, 1971, 624с.

76. Чуа JI.O., Лин Пен-Мин. Машинный анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. -М.: Энергия, 1980. 640с.

77. Шабад М.А. Автоматизация распределительных электрических сетей с использованием цифровых реле, Приложение к журналу Энергетик, выпуск 9. - М.: 2000. - 19с.

78. Шабад М.А. Расчёты релейной зашиты и автоматика распределительных сетей. JI. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. 296с.

79. Шабад М.А., Шевелев B.C. Опыт использования цифровых реле серии SPAC-800 в сетях электроснабжения России // Энергетик. №12. 1998.-21с.

80. Шмурьев В.Я. Цифровая регистрация и анализ аварийных процессов в электроэнергетических системах, приложение к журналу Энергетик, выпуск 2. - М.: 2004г. - 24с.

81. Шмурьев В.Я. Анализ осциллограмм цифровых регистраторов во внешней среде // Энергетик. 2001. №8. С.14-17.

82. Шмурьев В.Я. Цифровые реле защиты. Приложение к журналу Энергетик, вып. 5. М.: НТФ Энергопрогресс, 1999. - 25с.

83. Шмурьев В.Я. Цифровые реле: Учебн. Пособие. Санкт-Петербург: Изд-во ПЭИпк, 1998.- 180с.