автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Анализ метрологических характеристик микропроцессорных информационно-измерительных систем электроэнергетических объектов

р V Б ОД 1 8 №

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ > 1КТЕРИСТИК МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ИНФОРМА№ МЕРИТЕЛЬНЫХ

СИСТЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕ "КТОВ

Специальность 05.11.16 — Информационно-измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев—1996

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в отделе автоматизации электрических систем Института электродинамики HAH Украины, гор. Киев

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

—доктор технических наук, профессор академик HAH Украины Стогний Борис Сергеевич. —доктор технических наук, профессор Володарский Евгений Тимофеевич;

— кандидат технических наук, старши] научный сотрудник

Тесик Юрий Федорович.

— Украинский центр стандартизации j метрологии Госстандарта Украины, i Киев

Защита состоится -ОПР^ЛЯ 1996 г. в^__

часов на

заседании специализированного Ученого совета Д 01.98.03 в Институте электродинамики HAH Украины (252680, Киев-57, пр-. Победы, 56).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электродинамики HAH Украины.

Автореферат разослан

./ .MCtpTX}

1996 г.

Ученый секретарь

специализированного Ученого совета ^^^^-'^асюренко Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы и степень исследования тематики диссертации. Автоматизация и компьютеризация электроэнергетических объектов (ЭЭО) обусловливают применение совместно с измерительными трансформаторами тока и напряжения большого количества информационно-измерительных систем (ИИС) для определения параметров режимов этих объектов и обработки получаемой информации. Введение в измерительную систему мощных микропроцессорных вычислительных компонентов позволяет значительно расширить функциональные возможности ИИС, увеличить быстродействие и точность измерений.

Современные возможности электронной и микропроцессорной техники позволяют использовать ИИС с различными структурными схемами, способами реализации измерительных операций и обработки сигналов измерительной информации.

Вместе с тем основной тенденцией в рамках создания многоуровневых микропроцессорных информационно-управляющих систем на электроэнергетических объектах является создание многофункциональных ИИС с гибкой структурой, ориентированных на постоянное расширение перечня выполняемых функций. Такие ИИС характеризуются минимальным набором аппаратных измерительных устройств, составляющих измерительный канал (ИК), и вычислительным компонентом, реализующим различные алгоритмы обработки измеренных значений.

Отличительными особенностями многофункциональных ИИС ЭЭО являются многообразие входных сигналов и большое количество измеряемых информативных параметров, к точности измерения которых, в зависимости от вида входного сигнала и назначения ИИС, предъявляются различные требования. В настоящее время возможности увеличения точности измерений параметров сигналов на ЭЭО путем применения прецизионных измерительных устройств и структурно-алгоритлтческих методов повышения точности позволяют получать ИИС с точностными характеристиками, значительно превышающими

требуемые. Однако неоправданное увеличение точности измерений сопряжено со значительным повышением стоимости и усложнением контроля метрологических характеристик ИИС.

Следовательно, одной из наиболее актуальных задач является формирование рациональных требований к метрологическим характеристикам ИИС, а также анализ и экспериментальное определение этих характеристик применительно к различным моделям входных сигналов и их информативных параметров.

Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное исследования метрологических характеристик структурных компонентов и измерительных каналов микропроцессорных ИИС электроэнергетических объектов и создание на 'их основе методик и аппаратно-программных средств для проектирования ИИС с заданными точностными характеристиками и их метрологического обеспечения.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно-технические задачи:

- проведен анализ особенностей и сформированы рациональные требования к точностным характеристикам ИК в соответствии с метрологической совместимостью ИК и измерительных преобразователей токов и напряжений применительно к различным моделям входных сигналов;

- предложены и проанализировнаы модели ИК, характеризующие его работу в различных режимах;

- проведен анализ погрешностей ИК в установившихся и переходных режимах;

- исследованы погрешности вычислительных компонентов, проведен анализ влияния трансформированной погрешности ИК на характеристики систем диагностики;

- разработан аппаратно-программный комплекс для экспериментального определения погрешностей измерительных каналов и их компонентов;

- разработаны тестовые программы для исследования алгоритмов цифровой обработки данных в вычислительных компонентах.

являются измерительные каналы и

вычислительные компоненты микропроцессорных информационно-измерительных систем электроэнергетических объектов. Мемдмлсследйааыий. При решении поставленных задач использовались основные положения теории электрических цепей, теории точности измерительных систем, теории вероятностей, теории нечетких множеств, операторный метод расчета переходных процессов, методы спектрального анализа и цифровой обработки-сигналов, численные методы и моделирование на ЭВМ.

ИК микропроцессорных ИИС ЭЭО в установившемся и переходном режимах, на основе которых получены математические модели блоков, входящих в ИК и уравнение измерения. Предложены методики исследования точностных характеристик алгоритмов обработки данных и оценка влияния погрешности измерения на характеристики достоверности в диагностических системах.

мулированы требования к структуре ИК и метрологическим характеристикам компонентов в зависимости от назначения и условий применения ИИС. Разработаны методики экспериментального определения метрологических характеристик ИИС ЭЭО и аппаратно-программный комплекс для метрологических исследований ИК и его компонентов в автоматическом режиме. Разработан программный комплекс для исследования алгоритмов цифровой обработки данных в вычислительном компонейте.

следованию измерительных каналов и вычислительных компонентов информационно-измерительных систем ЭЭО, позволяющий осуществлять целенаправленный структурный синтез на этапе проектирования и контроль метрологических характеристик при промышленном изготовлении. При этом:

Разработаны подходы и методы исследования

I. На основании теоретических исследований сфор-

состоит в создании комплексного подхода к ис-

- впервые построена динамическая модель измерительного канала, позволяющая получить уравнение измерения и модель погрешности ИК в установившихся и переходных режимах; .

- получены математические модели обобщенного детерминированного и квазидетерминированного, а также случайного входных сигналов в частотной области;

- впервые предложена методика выбора параметров ИК многофункциональных ИИС, основанная на формировании нечеткого отношения предпочтения, которая позволяет сформулировать рациональные требования к характеристикам точности и быстродействия;

- предложена и реализована концепция автоматизированного аппаратно-программного комплекса для метрологических исследований рассматриваемых ИИС.

- математические модели обобщенного входного сигнала измерительных каналов в частотной области;

- методику выбора параметров измерительного канала на основании теории нечетких множеств;

- динамическую модель ИК:

- методики расчета погрешностей измерительных каналов по мгновенным значениям входных сигналов в установившемся и переходном режимах по погрешностям компонентов;

- модель погрешности вычислительного компонента рассматриваемых ИИС;

- методики метрологических исследований измерительных каналов микропроцессорных ИИС и их компонентов.

Диссертационные исследования выполнялись в Институте электродинамики НАН Украины в рамках проектов ГКНТ 05.51.01/010-92 "Создание комплекса интеллектуальных микропроцессорных средств контроля автоматики и управления возбуждением электрических машин и аппаратов", (шифр "Стенд") и 05.51.05/185-92 "Интегрированная сис-

тема управления режимами распределительных электрических сетей"

дании на базе ИЭД HAH Украины стенда для испытаний микропроцессорных устройств контроля, управления и автоматики электроэнергетических систем, а также при разработке метрологического обеспечения серийно выпускаемого информационно-диагностического комплекса "Регина".

Апробация работы. Содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на 7 международном симпозиуме ИМЕКО "Современные электрические и магнитные измерения", Прага, Чехия, 1995 год, международных научно-технических конференциях "Метрология-93", Созопол, Болгария, 1993 год, "Метрология и надежность-94", Созопол, Болгария, 1994 год, "Метрология и надежность-95", Созопол, Болгария, 1S95 год, всесоюзной научно-технической- конференции "Проблемы комплексной автоматизации ЭЭС на базе микропроцессорной техники", Киев, 1990 год, 1 Украинской научно-технической конференции "Метрология в электронике", Харьков, 1994 год.

Публикации, По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем диссертационной.]?аботы Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (ИЗ наименований) и приложения. Изложена на 150 стр. машинописного текста, включает 42 рисунка, 8 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации и публикациях основных результатов исследований, описаны структура и краткое содержание работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

мын ИК можно представить в виде каскадного соединения нормирующего измерительного преобразователя (НИП), частотного фильтра, устройства выборки-хранения (УВХ), коммутатора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При построении динамической модели измерительного канала НИП н фнльтр реализуются линейной моделью Вольтерра, УВХ н АЦП — в виде последовательного соединения линейного инерционного звена, описываемого такой же моделью и идеальных дискретнзатора и квантователя соответственно. Нестабильность параметров компонентов учитываются с помощью введения эквивалентных аддитивного и мультипликативного шумов. Сравнительный анализ быстродействия отдельных блоков показал, что инерционными свойствами УВХ, коммутатора к АЦП можно пренебречь. Тогда уравнение измерения ИК можно записать следующим образом

л!ХО] = -

у« = ■ (I + 1 ¿£ (/ - гЦг^г +Га,мп

где

I

МО

+ АЬШГ! (/ - г)] ¡¿^ (г) +

— номинальным коэффициент преобразования ИК, Улдц — мультипликативная и приведенная аддитивная погрешности ИК, вызванные неидеалыюстью линейных безынерционных блоков; 11онип(0. А Ьшш(0, ЬофС'Х ЛЬФ({) — идеальные импульсные характеристики НИП и фильтра и максимальные отклонения от них; т — количество разрядов АЦП; Хном — величина входного сигнала, соответствующая пределу измерения ИК; Тхр — время хранения УВХ; Та —апертурное время УВХ.

и

Граф преобразования сигналов в ИК представлен на рис. 1. Отметим, что все коэффициенты уравнения измерения либо задаются при проектировании, либо могут быть получены при метрологических исследованиях. Это значительно упрощает анализ проектируемых и существующих ИК.

На основании полученной модели был проведен анализ погрешностей ИК в установившемся режиме. Было установлено, что суммарная мультипликативная погрешность при частоте сигнала, равной частоте калибровочного сигнала в основном определяется ненсключенной систематической погрешностью- и мультипликативной погрешностью погрешностью УВХ.. При различии частот входного и калибровочного сигналов доминирующей становится погрешность из-за отличия АЧХ фильтра от идеальной. Основным источником этой погрешности является невдеальность элементов фильтра. Аддитивная погрешность ИК не зависит от неинфармативных параметров входного сигнала' и определяется ад-дитивнми погрешностями АЦП и УВХ. Угловая погрешность ИК будет представлять собой сумму угловой погрешности НИП, фазового сдвига фильтра, угловой погрешности фильтра, обусловленной неточностью элементов схемы и отличия частоты входного сигнала от номинальной, а так-;.;е угловой погрешности, вызванной наличием апертуриого времени УВХ. Угловую погрешность и фазовый сдвйг фильтра можно легко определить и уменьшить во всем частотном диапазоне путем коррекции динамических характеристик. В частности, граничное значение погрешности НЧ фильтра, вызванной случайным изменением частоты входного сигнала До и отличием частоты среза от расчетной Д<ос вследствие неидеальности элементов фильтра

При любых возмущениях в энергосистеме, приводящих к изменению амплитуд или фаз входных сигналов, ИК некоторое время будет работать с погрешностью, вызванной инерционностью его звеньев. При измерении параметров установившихся режимов эту погрешность можно не рас-

\к

В четвертой главе рассмотрен аппаратно-программный комплекс для автоматизированных метрологических исследований ИИС ЭЭО и их компонентов, позволяющий оценивать характеристики погрешностей измерения мгновенных и интегральных величин, а также ряда информативных параметров входных сигналов. Описана структура образцовых измерительных каналов и алгоритмов обработки данных.

Специфика работы образцовых каналов позволяет использовать алгоритмы с временной избыточностью для повышения точности измерений. В частности, для определения интегральных параметров синусоидальных сигналов используются корреляционные алгоритмы, основанные" на том, что автокорреляционная функция гармонического сигнала в нулевой момент времени равна квадрату действующего значения и представляет собой периодическую функцию с частотой, равной частоте сигнала. Анализ показывает, что при входном сигнале, соответствующем пределу измерения ИК, и определении автокорреляционной функции по 1000 значениям с.к.о. трансформированной погрешности уменьшается в 7 раз по сравнению со ступенью квантования.

В работе рассмотрены предложенные автором и реализованные на существующей аппаратуре методики определения точностных характеристик измерительных каналов и их компонентов в установившихся и переходных режимах. Даны практические рекомендации по выбору поверяемых точек в диапазоне измерения в зависимости от типа АЦП.

Для исследования динамических свойств алгоритмов цифровой фильтрации разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий анализировать возможность использования различных типов цифровых фильтров при ьыполнении разнообразных функциональных задач как с использованием моделей, так и при воздействии реальных входных сигналов. Реализована в виде программного пакета методика синтеза рекурсивных фильтров, основанная на использовании каталога параметров нормированных НЧ прототипов и частотных преобразований для денор-мирования и синтеза фильтров различных типов. Она позволяет при проектировании исключить из рассмотрения вопрос устойчивости фильтров,

что значительно облегчает процесс их синтеза. Приведены результаты проведенных с использованием этого программного пакета экспериментальных исследований различных типов фильтров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В настоящей работе обобщена и решена задача анализа метрологических характеристик ИИС электроэнергетических объектов. Разработаны теоретические положения и методики экспериментального определения точностных характеристик для всего процесса разработки ИИС, начиная с этапа проектирования и заканчивая промышленным изготовлением. Полученные в рамках проведенных исследований результаты дают возможность упростить и автоматизировать процедуру экспериментального определения метрологических характеристик ИИС, снизить трудоемкость и стоимость мероприятий по метрологическому обеспечению ИИС электроэнергетических объектов.

Научные и практические результаты проведенных исследований можно'сформулировать следующим образом:

1. Проведен анализ особенностей проектной компоновки ИИС в зависимости от назначения и условий работы. Построены модели частотных характеристик входных сигналов, позволяющие установить рациональные требования к частотному диапазону ИК.

2. Проведена систематизация способов нормирования характеристик погрешности первичных измерительных преобразователей с учетом особенностей ИИС и предложена методика выбора точностных характеристик и характеристик быстродействия ИК в соответствии с условием метрологической совместимости ИК и первичного измерительного преобразователя.

3. Исследованы особенности работы ИИС при измерении мгновенных параметров входных сигналов в установившихся и переходных режимах. На основе полученных закономерностей построена динамическая модель ИК, отражающая его работу в различных режимах. Получено уравнение измерения ИК, характеризующееся рациональным набором коэффициентов, которые либо задаются при проектиро-

вании, либо достаточно легко могут быть определены при метрологических исследованиях ИК.

4. Построены модели погрешностей измерения мгновенных величин в различных режимах. Проведен сравнительный анализ погрешностей компонентов, в результате которого сокращено количество параметров модели. Получены соотношения, удобные для практического использования и позволяющие осуществлять целенаправленный структурный синтез ИК по точностным характеристикам.

5. Определены показатели качества информации вычислительного компонента ИИС. Выполнен анализ влияния составляющих погрешности ИК и вычислительного компонента на показатели достоверности систем диагностики релейной защиты и предложена методика определения этих показателей, позволяющая значительно сократить объем испытании при метрологических . исследованиях информационно-диагностических систем.

6. Предложены способы построения поверочной аппаратуры и методики экспериментального определения точностных характеристик компонентов ИИС ЭЭО, позволяющие автоматизировать процесс их метрологических исследований.

7. Достоверность теоретических результатов, полученных в работе, подтверждена экспериментальными исследованиями, а также разработкой и внедрением комплекса программ и методик, используемых при разработке серийно выпускаемого информационно-диагностического комплекса "Регина" и стенда для испытаний микропроцессорных устройств контроля, управления и автоматики электроэнергетических систем.

Основные положения диссертации изложены в работах

1. В. М. Слынько, A.B. Кузнецов Экспериментальное определение метрологических характеристик систем регистрации электрических параметров электроэнергетических' объектов//В сб.: Проблемы комплексной автоматизации ЭЭС на базе микропроцессорной техники. Датчики и каналы информации.-Киев: ИЭД АН УССР, 1990.-T.3.-C. 127-133

2. В. М. Слынько, А. В. Кузнецов, Н. Ф. Синилкйна Расчет погрешностей регистраторов параметров рабочих и аварийных режимов на электрических подстанциях 330-750 кВ//В сб.: Проблемы комплексной автоматизации . ЭЭС на базе микропроцессорной техники. Датчики и каналы информации.-Киев:ИЭД АН УССР,1990.-т,3.-с.134-138

3. A.B. Кузнецов, М.Ф. Сопель Точностные характеристики алгоритма анализа работы устройств релейной защиты//В сб.: Регулируемые асинхронные дв'игатели. Киев: Ин-т электродинамики АН Украины, 1992,—с. 103-110.

4. А. В. Кузнецов Расчет влияния погрешностей измерительных каналов на показатели достоверности контроля в информационно-диагностических системах//В сб.: Автоматизация и релейная защита в энергосистемах. Киев: Ин-т электродинамики HAH Украины, 1994.—с. 112-118.

5. А.Е. Демин, A.B. Кузнецов Выбор измерительного канала с оптимальными параметрами для работы б составе многофункциональной измерительной системы/ /Техн. электродинамика.—1994.— №3.—с. 7579.

6. Б. С. Стогний, В.В. Рогоза, A.B. Кузнецов Анализ метрологической совместимости компонентов измерительных каналов микропроцессорных систем электроэнергетических объектов//Метрология-94: Сб. научн. тр. 5 Национального симпозиума с международным участием (Созопол, Болгария, 19-23 сентября 1994 г.).—Созопол, 1994.—с. 1620.

7. A.B. Кузнецов, H.A. Яремчук Оценивание характеристик погрешности из-за нелинейности цифро-аналоговых преобразователей (кодоуправляемых мер)//Метрология-94: Сб. научн. тр. 5 Национального симпозиума с международным участием (Созопол, Болгария, 19-23 сентября 1994 г.).—Созопол, 1994,—с. 91

S. Б. С. Стогний, А.Е. Демин, A.B. Кузнецов Методы и принципы метрологического обеспечения измерительных каналов тока и напряжения в энергетике//Техн. электродинамика.—1995,—№1.—с. 59-62.

9. В. Stogniy. A. Demin, A. Kouznetsov Measurement complex for testing of microprocessor based systems of protection and registration on power

objects//Modern electrical and magnetic measurement: Proceedings of 7th IMEKO TC-4 Symposium (Praque 13-14.09.95).—Prague, J995.—p. 326-329

10. B.C. Стогний, B.B. Рогоза, A.E. Демин, A.B. Кузнецов Аппаратно-программный комплекс для определения погрешностей микропроцессорных систем релейной защиты и регистрации//Метрология и надежность-95: Сб. научн. тр. 5 Национального, симпозиума с международным участием (Созопол, Болгария, 19-23 сентября 1995 г.).—Созопол, 1995.—с.44-48.

11. А.В. Кузнецов Оценка погрешностей алгоритмов обработки данных Ь многофункциональных измерительных системах//Метрология и надежность-95: Сб. научн. тр. 5 Национального симпозиума с международным участием (Созопол, Болгария, 19-23 сентября 1995 г.).— Созопол, 1995.—с.69-73.

12. Б.С. Стогний, А.Е. Демин, А.В. Кузнецов Метрологическое обеспечение измерительных каналов тока и напряжения в энергетике/ /Метрология-93: Тез. докл. 4 Национального симпозиума с международным участием (Созопол, Болгария, 19-23 сентября 1993 г.).—Созопол, 1993,—с. 26.

Личный вклад автора. Основные результаты опубликованы в 10 совместных и двух самостоятельных работах. В работах, изданных в соавторстве, личный вклад соискателя заключается в построении моделей погрешностей {1,3,6], оценке погрешности нелинейности кодо-импульсных ЦАП [7|, разработке методик оценки доверительных границ погрешности [2,8,12], применении для решения поставленной задачи аппарата теории нечетких множеств {5], разработке алгоритмов обработки данных 19,10).

Соискатель

А.В. Кузнецов

Kuznetsov A. Analysis of melhrologîcal features of microprocêssor based measuring systems in electrical power objects.

The dissertation is presented for Ph-D. degree in the speciality 05.11.16 Information's measuring systems, Institute of electrodynamics of Ukrainian National Academy of Sciences, Kiev, 1996.

Scientific work thai contains theoretical and practical researches of accuracy features of microprocessor based measuring systems is presented. Complex approach that allows to define accuracy features of measuring channels and .- calculating components and to construct automatic methrological assurance system for analyzed systems is designed.

Кузнецов O.B. АналЬ метролопчних характеристик мжропроцесорннх !ифорызцшно-пнм!рювальних систем електроенергетпчнгсх об'ектш.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшпних паук за спещ'альшстю 05.11.16—Чнформа гшп ¡о-в иш'р ю на л ьш системп", , 1н-т електродинамки НАН УкраГия, Кшв. 1996.

Захнщаються 12 иаукових праць, яш мктять теоретнчш га експеримеи-тальш дослцукення гочносннх характеристик мшропроцесорннх шфор-мацдн«0-в!1м1'рювалышх систем електроенергетичннх об'ектш. Запропонован о комллехсяий лщхад до визначеня точпосних характеристик виюрювальних каналов та обчислювалыпк компонента, якнй дозволяе створнти автоматнзоваву систему метролопчного забезпечепня таких систем. . •

Клюзов! слова: метролопчне забезпечеиня, похнбка, тформатГшо-вншрювальва система, вим!рювальшш канал, обчислювальнпй компонент.

Подписано к печати 28. 0Z.Seе. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл.-печ. ласт./ДУч.-изд. лист

ТвраЕ ¡00. Заказ 8/- _

Полиграф, уч-к Института электродинамика ШН Украины 252057, йиев-57, проспект Победа,55