автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Автоматизированная информационно-измерительная система интегральных характеристик периодических сигналов и контроля режимов работы энергообъектов

005554697

На правах рукописи

Ое-

ЛЫЧЕВ Александр Олегович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Волгоград - 2014

005554697

Работа выполнена на кафедре "Информационно-измерительная техника" в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО «СамГТУ»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мелентьев Владимир Сергеевич.

Официальные оппоненты: Нефедъев Дмитрий Иванович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», кафедра «Информационно-измерительная техника», заведующий;

Скворцов Борис Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», кафедра «Электротехника», профессор.

Ведущая организация: ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный

университет телекоммуникаций и информатики», г. Самара.

Защита состоится 19 декабря 2014 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, Волгоград, пр. им. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.vstu.ru Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «¿3 » октября 2014 г.

Ученый секретарь мр

диссертационного совета ид****! Авдекж Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди множества проблем, связанных с развитием Единой электроэнергетической системы (ЕЭС) России, одна из важнейших задач - обеспечение высокой надежности работы ЕЭС. Это предполагает, в частности, выполнение функций предотвращения и ликвидации аварий и нештатных ситуаций.

Для реализации этих функций в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами энергообъектов включают информационно - измерительные системы (ИИС), которые выполняют функции измерения, записи и первичной обработки текущих значений тока и напряжения; положения контактов реле защит в предаварийных, аварийных и послеаварийных режимах работы оборудования и присоединений, представление осциллограмм процессов и протоколов аварий, а также измерение и контроль параметров нормального режима сети.

В качестве информационных носителей в ИИС используются действующие (среднеквадратические) значения напряжения и тока, активная и реактивная мощности, которые принято называть интегральными характеристиками периодических сигналов (ИХПС), а также частота.

Одной из основных проблем при определении ИХПС и частоты является обеспечение необходимого быстродействия измерительных процедур, обусловленного требованиями к оперативности контроля с целью своевременного выявления предаварийных и аварийных ситуаций.

В диссертационной работе решается проблема сокращения времени определения ИХПС и частоты при сохранении высокой точности измерения в нормальных и аварийных режимах работы энергообъектов, что является важной и актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 11-08-00039-а «Методология синтеза и анализа оптимальных аппроксимационных методов и систем измерения параметров квазидетермини-рованных сигналов» и в рамках базовой части задания Минобрнауки РФ ФГБОУ ВПО «СамГТУ» «Создание методологии синтеза методов оперативного анализа и идентификации квазидетерминированных процессов и аппроксимационных измерительных систем параметров процессов, инвариантных к возмущающим факторам» (код проекта: 1392), а также госбюджетных фундаментальных НИР: «Создание методологических основ синтеза и анализа аппроксимационных методов и систем измерения и контроля параметров квазидетерминированных сигналов» (№ госрегистрации 01200951715), «Создание методологии сверхбыстрого анализа и идентификации квазидетерминированных периодических и переходных процессов» (№ госрегистрации 01201257378).

Степень разработанности темы исследования.

В настоящее время для определения ИХПС наиболее широко используются цифровые методы, основанные на аналого-цифровым преобразованием мгновенных значений (МЗ) сигналов, равномерно распределенных по периоду, с последующей обработкой пропорциональных им кодов (И.Ф. Клисторин, И.И. Коршевер, Y.R. Smith, F.J.J. Clarke, J.R. Stockton, A.H. Yang, M. Steidentop).

При определении ИХПС с помощью данных методов изначально считается, что отсчеты сигналов равномерно распределены по периоду. В реальных си-

туациях это условие не выполняется, что неизбежно приводит к погрешности. Очевидно, что данный вид погрешности обусловлен колебаниями частоты входного сигнала, а также неточным делением периода на число интервалов дискретизации. При этом повышение точности измерения достигается, в основном, только за счет увеличения разрядности аналого-цифровых преобразователей, числа точек дискретизации и введением автоподстройки частоты дискретизации, что увеличивает время измерения.

Проводимые в настоящее время исследования сводятся к попыткам увеличения точности определения отдельных интегральных характеристик сигналов в основном за счет обработки результатов измерения. В них отсутствует системный подход к определению всего комплекса характеристик. Вопросы сокращения времени измерения не рассматриваются.

В работах B.C. Мелентьева и В.И. Батищева для решения задачи оперативного определения информативных параметров периодических сигналов был использован аппроксимационный подход, основанный на определении ИХПС по функциональной связи с параметрами модели, выбираемой на основе априорной информации об объекте исследования. При этом предлагается воспользоваться гармонической моделью, оценив погрешность, обусловленную несоответствием модели виду реального сигнала.

Однако вопросы разработки аппроксимационных методов и средств измерения ИХПС, основанных на формировании дополнительных сигналов, сдвинутых относительно входных по фазе, и сравнении мгновенных значений входных и дополнительных сигналов до сих нор не решены.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование аппроксимационных методов измерения интегральных характеристик периодических сигналов и частоты и создание на их основе автоматизированной информационно-измерительной системы контроля параметров нормального режима работы энергообъектов и регистрации аварийных ситуаций.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

- анализ нормальных и аварийных режимов работы энергообъектов и их контролируемых параметров;

- анализ существующих методов и средств измерения интегральных характеристик гармонических сигналов (ИХГС), основанных на формировании дополнительных сигналов;

- разработка методик анализа метрологических характеристик методов и систем измерений ИХПС и частоты;

- разработка новых аппроксимационных методов и систем измерения ИХГС и частоты с высокими техническими характеристиками;

- анализ погрешностей разработанных методов и систем измерений ИХГС и частоты;

- разработка алгоритмического обеспечения автоматизированной ИИС (АИИС) контроля режимов работы энергообъектов;

- разработка программного и аппаратного обеспечения АИИС контроля режимов работы энергообъектов и внедрение системы;

- экспериментальное исследование аппаратного обеспечения АИИС.

Научная новизна.

1. Новый метод определения интегральных характеристик и частоты, ос-

нованный на формировании дополнительного напряжения и сравнении МЗ входного и дополнительного сигналов, который позволяет сократить время измерения и исключить частотную погрешность формирования дополнительного сигнала и угловую погрешность фазосдвигающего блока (ФСБ).

2. Новый метод определения ИХГС и частоты, основанный на формировании двух дополнительных сигналов напряжения и сравнении мгновенных значений одного из дополнительных и входного напряжений, который позволяет исключить частотную погрешность формирования дополнительных сигналов.

3. Методика анализа амплитудной и угловой погрешности фазосдвигаю-щих блоков, осуществляющих формирование дополнительных сигналов, позволяющая оценить влияние неидеальности ФСБ на результат измерения ИХГС и частоты.

4. Алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение АИИС с высокими метрологическими характеристиками, позволяющая автоматизировать процесс контроля электрических параметров в различных режимах работы энергообъектов.

Научная и практическая ценность работы.

1. Разработаны методы, обеспечивающие повышение точности и сокращение времени измерения интегральных характеристик и частоты сигналов.

2. Разработана методика и получены аналитические выражения для расчета амплитудной и угловой погрешности формирования дополнительных сигналов при измерении интегральных характеристик и частоты сигналов.

3. Разработанная АИИС обеспечивает высокое быстродействие процесса измерения и позволяет автоматизировать процесс контроля электрических параметров сигналов в различных режимах работы энергообъектов.

4. Разработано программное обеспечение для инженерного расчета метрологических характеристик разработанной системы.

Методы научных исследований.

В работе использованы положения теории измерений, численного анализа, теории электрических цепей и сигналов, методы цифровой обработки сигналов, методы аналитического и имитационного моделирования.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Методы и системы измерений интегральных характеристик и частоты по мгновенным значениям гармонических сигналов, основанные на формировании дополнительных сигналов и сравнении МЗ входного и дополнительного сигналов.

2. Результаты оценки погрешности разработанных методов, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели.

3. Результаты анализа влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения ИХГС и частоты.

4. Результаты оценки влияния амплитудной и угловой погрешностей фазосдвигающего блока на точность определения ИХГС и частоты.

5. Аппаратное обеспечение АИИС контроля режимов работы энергообъектов и результаты ее метрологического анализа.

6. Программное и алгоритмическое обеспечение АИИС контроля режимов работы энергообъектов, а также программное обеспечение для метрологического анализа системы.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационное исследование

соответствует паспорту специальностей научных работников 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы»: п. 2 «Новые методы и технические средства контроля и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем», п. 3 «Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных и управляющих систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных и управляющих систем, методы проведения их метрологической аттестации».

Достоверность результатов исследования. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями разработанной АИИС. Результаты анализа погрешностей методов и средств измерений подтверждаются компьютерным моделированием.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16 международных и Всероссийских конференциях, в том числе на VII, VIII, IX Всероссийских научных конференциях с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2010 г., 2011 г., 2013 г.), международных научно-технических конференциях «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2011 г., 2013 г.), международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технологии» (г. Курск, 2011 г.), XIV международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (г. Самара, 2012 г.), международной научно-практической конференции «Измерения: состояние, перспективы развития» (г. Челябинск, 2012 г.), XI международной межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2012 г.), X, XI международных научно-практических конференциях «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2013 г., 2014 г.), III, IV международных научно-практических конференциях «Современные инновации в науке и технике» (г. Курск, 2013 г., 2014 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке и производстве - ИТНП-2013» (г. Самара, 2013 г.), III международной научно-практической конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития» (г. Курск, 2013 г.), П1 международной научно-практической конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологий» (г. Курск, 2013 г.).

Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение при разработке и внедрении ИИС электрических параметров гидроагрегата в филиале ОАО «РусГидро» — «Жигулевская ГЭС». Разработанные методики оценки погрешностей внедрены в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке бакалавров по профилю «Информационно-измерительная техника и технологии» направления 200100 - «Приборостроение».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 30 работ, в том числе 5 в рецензируемых изданиях из списка ВАК РФ.

Личный вклад автора в работах, написанных лично и в соавторстве, заключается в следующем: в [1, 20] разработаны структурные схемы ИИС, реализующих новые методы определения ИХПС; в [2] разработан новый метод и по-

лучены аналитические выражения для оценки влияния погрешностей измерения СКЗ сигнала; в [3, 6-12, 15-26,28] - исследованы погрешности определения ИХПС; в [4, 27, 29] - исследованы погрешности измерения частоты гармонического сигнала; в [5, 14] получено выражение для определения активной мощности по мгновенным значениям сигналов напряжения и тока; в [13] предложен принцип синтеза аппроксимационных методов измерения ИХПС; в [30] опробованы методы имитационного моделирования основных элементов средств измерений.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и библиографического списка из 101 наименования, общим объемом 160 страниц печатного текста и 6 приложений на 19 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цели и задачи исследования, характеризуется научная новизна полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ нормальных и аварийных режимов работы энергообъектов и их контролируемых параметров. Исследованы электрические сигналы в цепях открытых распределительных устройств (ОРУ). Сформулированы требования к техническим характеристикам АИИС.

В соответствии с правилами технической эксплуатации ГЭС и сетей необходимо контролировать целый ряд параметров электрических сетей, основными из которых являются среднеквадратические значения (СКЗ) напряжения и тока, активная (АМ) и реактивная (РМ) мощности, а также частота, в различных режимах работы оборудования. При этом общее число контролируемых электрических параметров на Жигулевской ГЭС составляет: для ОРУ-ПО кВ - 228; ОРУ-220 кВ - 212; ОРУ 500 кВ - 308.

Анализ показал, что для эффективного контроля и выявления предаварий-ных и аварийных режимов (таких как короткое замыкание, резкое понижение или повышение частоты), целесообразно определять значения электрических параметров за время не более периода входного сигнала.

Доказано, что оперативное измерение и эффективный контроль параметров нормального режима работы энергообъектов и регистрация аварийных ситуаций возможны только на основе АИИС.

Установлено, что электрические сигналы в нормальном режиме работы ОРУ имеют форму, близкую к гармонической. Проведенный экспериментальный анализ показал, что на ОРУ-220 кВ в фазных сигналах напряжения и тока преобладает пятая гармоника с максимальными коэффициентами 0,2 и 0,4 % соответственно, при этом коэффициенты искажения синусоидальности не превышают 0,5 %.

На основе проведенного анализа объекта исследования были сформулированы требования к разрабатываемой АИИС, которая должна обеспечивать измерение частоты, СКЗ напряжения и тока, а также АМ и РМ при значении со5ф=-1-Н)-И и коэффициентах гармоник менее 0,5%. Основная относительная погрешность измерения частоты и СКЗ сигналов, а также приведенная погрешность измерения АМ и РМ не должна превышать 0,5%, а время определения электрических параметров должно составлять менее периода входного сигнала.

Во второй главе анализируется возможность использования аппроксима-ционного подхода к измерению ИХПС. Приводится классификация методов и средств измерения ИХГС по мгновенным значениям напряжения и тока, основанных на формировании ортогональных составляющих сигналов. Проводится метрологический анализ существующих методов и средств измерения.

Доказано, что для измерения параметров сигналов, вид которых априорно известен, может быть использован аппроксимационный подход, заключающийся в определении информативных параметров по отдельным мгновенным значениям сигналов в предположении их соответствия известным моделям с последующей оценкой погрешностей, обусловленных отклонением принятых моделей от реальных сигналов.

Установлено, что дальнейшее сокращение времени измерения обеспечивают методы, основанные на формировании дополнительных ортогональных составляющих сигналов (ОСС) и использовании их мгновенных значений.

В результате классификации данных методов выделены четыре группы. В работе были рассмотрены и проанализированы методы, представляющие все четыре группы.

Анализ методов измерения интегральных характеристик показал, что всем методам присуща существенная погрешность, обусловленная отклонением реального сигнала от гармонической модели.

Установлено, что при реализации рассмотренных методов могут возникнуть погрешности, обусловленные не идеальностью фазосдвигающих блоков, осуществляющих формирование дополнительных сигналов.

Наиболее существенное влияние на точность измерения ИХГС оказывает частотная погрешность ФСБ, которая присуща всем ИИС, реализующим данные методы.

Реализация метода измерения интегральных характеристик по ортогональным составляющим, связанным с переходами через ноль дополнительных сигналов напряжения и тока, позволяет исключить влияния погрешностей по модулю ФСБ, на результат определения ИХГС.

Наименьшее время измерения обеспечивает метод определения ИХГС по мгновенным значениям ортогональных составляющих сигналов, измеренным в произвольный момент времени.

Проведенный анализ показал, что для повышения точности измерения необходимо разработать новые методы и системы определения интегральных характеристик периодических сигналов при сохранении высокого быстродействия.

В третьей главе разрабатываются и исследуются новые методы и средства определения ИХГС и частоты, реализация которых обеспечивает повышение точности измерения за счет исключения частотной погрешности ФСБ.

Доказано, что исключение частотной погрешности ФСБ обеспечивают методы, основанные на формировании дополнительных сигналов, сдвинутых по фазе на произвольный, в общем случае, угол относительно входных, и определении интегральных характеристик по МЗ входного и дополнительного сигналов.

Предложен метод измерения ИХГС, который заключается в формировании двух дополнительных сигналов напряжения и тока, сдвинутых по фазе на углы Да и 2Да относительно входных, и сравнении основного и дополнительных

сигналов напряжения и тока.

Временные диаграммы, поясняющие метод, приведены на рисунке 1.

В момент равенства основного и. сдвинутого относительно него на 2Да, дополнительного сигнала напряжения измеряют мгновенные значения напряжения, сдвинутого относительно основного на Да и дополнительного тока, сдвинутого относительно основного на Да. В момент времени равенства основного и, сдвинутого относительно него на 2Да, дополнительного сигнала тока измеряют МЗ сигнала тока, сдвинутого относительно основного на Да.

"(О

(■', V,

т 1, /„=/;;

" г:

При этом выражения для СКЗ напряжения и тока, АМ и РМ примут вид:

I/- '

и -ГШ

гкз Л' СКЗ 72'

и2Х\122

Ш)

к

'Ш)

Ш)

0=

Данный метод предназначен для определения интегральных характеристик в цепях с гармоническими напряжениями и токами. Для анализа погрешности метода из-за несоответствия модели реальному сигналу была использована методика оценки погрешности результата измерения интеграль-

Рисунок 1 - Временные диаграммы, поясняющие первый метод

ной характеристики как функции, аргументы которой заданы приближенно с погрешностью, соответствующей отклонению модели от реального сигнала, с помощью дифференциала этой функции.

Выражения для относительных погрешностей определения СКЗ напряжения и приведенной погрешности измерения АМ имеют вид:

1+5Х

к-2

1 + Х/4

2 V 2 V к=2 к=2

где Ьцк и И,к - коэффициенты к-тых гармоник напряжения и тока; ф - угол сдвига фаз между напряжением и током.

Установлено, что погрешности определения интегральных характеристик не зависят от угла сдвига дополнительных напряжения и тока относительно входных сигналов. Кроме того, погрешности измерения СКЗ напряжения и тока зависят только от спектра сигналов.

Доказано, что использование в цифровых методах и средствах измерения квантования по уровню неизбежно приводит к погрешности.

Для оценки влияния квантования на результирующую погрешность был использован подход к оценке погрешности вычисления значения функции, аргументы которой заданы приближенно, с помощью дифференциала этой функции, если считать, что предельные абсолютные погрешности аргументов соответствуют погрешностям квантования мгновенных значений сигналов.

Выражения для относительных погрешностей определения СКЗ напряжения и тока и приведенной погрешности измерения АМ и РМ имеют вид:

Показано, что погрешности определения СКЗ напряжения и тока зависят только от разрядности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) п. Погрешности измерения АМ и РМ зависят, также, от угла сдвига фаз <р.

Доказано, что погрешности определения ИХГС, обусловленные квантованием МЗ малы и ими можно пренебречь при достаточной разрядности АЦП.

При реализации метода возможно возникновение дополнительной погрешности, обусловленной отличием углов сдвига фаз ФСБ, формирующих первые и вторые дополнительные сигналы, друг от друга. Если считать, что это отличие составляет одинаковую величину др, то погрешности измерения СКЗ напряжения и тока и АМ будут иметь вид:

5мз =5/р =

Ар

СОБ-— 2

-1; У/'Р =^[с05(ф-др)-с05ср].

Проведенный анализ показал рост погрешности с увеличением Ар.

Если амплитудные значения сигналов на выходах ФСБ в каналах напряжения и тока отличаются от входных на величину А[/„ и А 1т соответственно, то погрешности определения СКЗ напряжения и АМ будут равны: = Ки; гР = Ки (ьп„ + 1)|созФ|+ит10\,и +1), где кти = Аит/ит; кт! = А/,„ / /,„.

Анализ показал, что погрешности определения ИХГС зависят не только от погрешности по модулю фазосдвигающих блоков, но и от угла сдвига фаз между сигналами напряжения и тока ф (для АМ и РМ).

Предложенный метод можно использовать и для измерения частоты сигнала. Для этого необходимо произвести измерение второго мгновенного значения дополнительного сигнала напряжения 112г, сдвинутого относительно входного на Да, через образцовый интервал времени А/.

Выражение для определения частоты имеет вид:

/ =-агссоБ-^

2 л А/

Исключить частотную погрешность фазосдвигающих блоков и погрешность из-за не идентичности измерительных каналов напряжения и тока, а также угловую погрешность, возникающую из-за отличия углов сдвига фаз ФСБ при формировании двух дополнительных сигналов напряжений, позволяет следующий разработанный метод, в котором используется формирование только одного дополнительного сигнала напряжения. Метод заключается в том, что в момент равенства входного и дополнительного напряжений одновременно измеряют мгновенные значения входного напряжения и тока; через произвольный интервал времени А( измеряют МЗ входного и дополнительного напряжений и тока и определяют ИХГС по измеренным значениям.

Временные диаграммы, поясняющие метод, приведены на рисунке 2.

Основные ИХГС определяются в соответствии с выражениями:

и _ I ^Т. , _ и,2, , {¡Ли^+иЛ-Ы^п}2 .

°° ' °° " и 2[4и>«-(иа+и12ГГ '

4 U¡,-{Utl+Uj

Q =

u2Aunin-u2jx2)

^4U22l-{Uí2+Un)2

Была проведена оценка погрешности определения интегральных характеристик из-за несоответствия модели виду реального сигнала.

Выражение для относительной погрешности определения СКЗ напряжения имеет вид:

б, =

COS-

Да

sinW 1 + 5Х

Рисунок 2 - Временные диаграммы, поясняющие второй метод

х jcos юДt - cos(Aa - со Д?)|+ 2|cos Да - eos 2ш Д/| + |cos(Acx + соДг)- eos а> Дг|].

Показано, что погрешности измерения интегральных характеристик зависят от гармонического состава сигналов, угла сдвига фаз между входным и дополнительным напряжениями и интервала времени Дt. Кроме того, погрешности определения СКЗ тока, АМ и РМ зависят и от угла сдвига фаз <р.

Был проведен анализ влияния квантования на погрешность измерения ИХГС, который показал, что погрешности определения ИХГС зависят от угла сдвига фаз между входным и дополнительным напряжениями и интервала времени Дí. Кроме того, погрешности определения СКЗ тока, АМ и РМ зависят и от угла сдвига фаз <р.

Выражение для определения СКЗ тока имеет вид:

§/ =

Л

2"[sin соЛ/|

Да л I jstnj ф——+ <вД/ I

Sin ф

Да

"Т

. ( ДсЛ . ( Да А sin! ф—— Isinl ф— ■■ + соД/1 (l + |cos со Д/|)

• л Да sinoAícos — 2

Одним из недостатков ИИС, реализующей метод, является погрешность по модулю ФСБ. Был проведен анализ данного вида погрешности в случае, когда абсолютные погрешности аргументов соответствуют отклонению мгновенных значений дополнительного напряжения на величину Д£/шах, при условии, что МЗ входных сигналов напряжения и тока измерены без погрешности.

Установлено, что погрешности определения ИХГС зависят не только от погрешности по модулю фазосдвигающего блока, но и от угла сдвига его фазы и интервала времени ДЛ При этом погрешности измерения СКЗ тока, АМ и РМ зависят и от угла сдвига фаз между напряжением и током.

Разработанный метод может быть использован для измерения частоты сигнала. Выражение для определения частоты имеет вид:

1 \и22+иг

-агссоэ--

2пЛ1 I

/ = :

2 ип

Результаты оценки погрешностей позволяют определить области использования разработаных методов и оптимально выбирать параметры измерительного процесса в зависимости от требований по точности и времени измерения интегральных характеристик и спектра сигналов напряжения и тока.

Показано, что, с точки зрения сокращения времени и повышения точности измерения, второй метод имеет существенное преимущество.

В четвертой главе производится синтез АИИС контроля параметров нормального режима работы энергообъектов и регистрации аварийных ситуаций, разрабатывается алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение системы, приводятся результаты ее метрологического анализа и экспериментального исследования, описывается методика поверки АИИС.

В состав разработанной АИИС входят по 13 системных измерительных преобразователей (СИП) для каждого ОРУ, осуществляющих измерение всего комплекса интегральных характеристик, а также частоты, и передачу информации на автоматизированные рабочие места обслуживающего персонала ОРУ и на АРМ ОП центрального пункта управления ГЭС. В основу функционирования СИП заложен второй разработанный метод измерения ИХГС по мгновенным значениям сигналов, разделенных во времени и пространстве.

Структурная схема СИП приведена на рисунке 3.

В состав СИП входят: первичные преобразователи напряжения ППН1 -ППНЗ и тока Г1ПТ1 -111113; аналоговые коммутаторы АК1 -АК2; ФСБ; аналого-цифровые преобразователи АЦП1 -АЦПЗ; компаратор КОМП; контроллер КНТ с шинами дан-

_ ных ШД и управле-

Рисунок 3 - Структурная схема СИП ния щу

Разработано программное обеспечение (ПО) СИП и АИИС в целом, обеспечивающее функционирование системы в нормальном и анормальных режимах работы энергообъектов.

ПО СИП включает в себя: программу настройки, которая служит для инициализации и калибровки СИП; программу сбора и обработки измерительной информации; программу отображения данных и программу метрологического анализа, предназначенную для оценки погрешностей измерения интегральных характеристик и частоты сигналов и возможности корректировки параметров измерительного процесса.

Программа сбора и обработки данных выполняет следующие функции: циклический опрос входных каналов системы с требуемой частотой; вычисление оценок МЗ измеряемых параметров; построение интегрированных оценок измеряемых аналоговых параметров на заданных временных интервалах; первичный анализ измеренных значений аналоговых параметров с выработкой признаков выхода за уставки; буферизация (сохранение) полученных значений аналоговых и дискретных параметров.

Была разработана методика поверки СИП и проведены экспериментальные исследования его метрологических характеристик.

Доказано, что в процессе эксплуатации АИИС суммарная погрешность значительно снижается за счет учета погрешности по напряжению (току) и угловой погрешности трансформаторов напряжения (тока), определяемых при периодических поверках этих масштабных преобразователей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный экспериментальный анализ показал, что на ОРУ-220 кВ в фазных сигналах напряжения и тока преобладает пятая гармоника с максимальными коэффициентами 0,2 и 0,4 % соответственно, при этом коэффициенты искажения синусоидальности не превышают 0,5 %.

2. Анализ существующих методов и систем измерения ИХГС, основанных на формировании ортогональных составляющих сигналов, выявил наличие частотной погрешности ФСБ, значительно снижающей точность измерения.

3. Разработанные методики определения амплитудной и угловой погрешностей позволяют оценить влияние не идеальности ФСБ на результат измерения ИХГС и частоты гармонического сигнала.

4. Разработанные новые методы измерения ИХГС позволяют устранить частотную погрешность фазосдвигающих блоков, кроме того, второй метод позволяет устранить угловую погрешность, возникающую из-за отличия углов сдвига фаз ФСБ.

5. Проведенный анализ погрешностей разработанных методов показал, что их реализация позволяет улучшить технические характеристики систем измерений интегральных характеристик и частоты.

6. Разработано алгоритмическое обеспечение АИИС, обеспечивающее передачу и обработку измерительной информации, а также оперативный контроль электрических параметров энергообъектов в нормальных и аварийных режимах работы.

7. Разработано программное и аппаратное обеспечение АИИС контроля режимов работы энергообъектов. Проведено внедрение системы.

8. Произведено экспериментальное исследование разработанной АИИС, подтверждающее соответствие системы техническим требованиям.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Лычев А.О. Метод измерения интегральных характеристик на основе сравнения мгновенных значений гармонических сигналов, распределенных в пространстве / B.C. Мелентьев, А.О. Лычев // Вестник Самар. гос. техн. ун-та.

Сер. Технические науки. - № 2(30). - 2011. - С. 236-239.

2. Лычев, А.О. Сокращение времени измерения среднеквадратического значения периодического сигнала [Электронный ресурс] / А.О. Лычев // Интернет-журнал «Науковедение». - 2013. - №5(18). - Режим доступа: http://naukovedenie.ni/PDF/21 tvn513 .pdf.

3. Лычев А.О. Оценка погрешности метода измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, разделенных во времени и пространстве / А.О. Лычев // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - № 3(39). - 2013. - С. 230-234.

4. Лычев А.О. Метод измерения частоты на основе сравнения мгновенных значений входного и дополнительного гармонических сигналов / А.Е. Сини-цын, А.О. Лычев, Е.Е. Ярославкина // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - 2014. - №2 (42). - С. 51-55.

5. Лычев А.О. Метод измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, разделенных во времени и пространстве / B.C. Ме-лентьев, Ю.М. Иванов, А.О. Лычев // Метрология. — 2014. - №8. - С. 18-24.

Публикации в других изданиях:

6. Лычев А.О. Анализ погрешности метода измерения параметров гармонического сигнала из-за искажения его формы / B.C. Мелентьев, А.Н. Камыш-никова, А.О. Лычев // Математическое моделирование и краевые задачи: Тр. VII Всерос. науч. конф. с междунар. участинм. - 4.4. - Самара: СамГТУ, 2010. -С. 131-134.

7. Лычев А.О. Оценка погрешности квантования при реализации метода измерения интегральных характеристик периодических сигналов / B.C. Мелентьев, Е.Г. Кожевникова, А.О. Лычев // Математическое моделирование и краевые задачи: Тр. VII Всерос. науч. конф. с междунар. участинм. - 4.4. - Самара: СамГТУ, 2010. - С. 134-137.

8. Лычев А.О. Анализ влияния погрешности квантования на погрешность измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, связанным с переходом через ноль / B.C. Мелентьев, А.Н. Камышникова, Е.Г. Кожевникова, А.О. Лычев // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. - 2(4). - С. 8592.

9. Лычев А.О. Исследование погрешности системы измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям ортогональных составляющих гармонических сигналов / B.C. Мелентьев, В.И. Батищев, Е.Г. Кожевникова, А.О. Лычев // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Тр. междунар. науч.-техн. конф. - Т. 1. - Пенза: Издательство ПГУ, 2011. - С. 288-292.

10. Лычев А.О. Оценка погрешности квантования при измерении интегральных характеристик с использованием компарирования мгновенных значений гармонических сигналов / B.C. Мелентьев, Е.Г. Кожевникова, А.О. Лычев // Математическое моделирование и краевые задачи: Тр. VIII Всерос. науч. конф. с междунар. участинм. - 4.2. - Самара: СамГТУ, 2011. - С. 186-189.

11. Лычев А.О. Метод измерения интегральных характеристик на основе формирования и сравнения дополнительных гармонических сигналов / B.C. Мелентьев, А.О. Лычев, A.B. Симонов // Современные материалы, техника и технологии: Мат. междунар. науч.-практ. конф. - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2011. - С. 226-227.

12. Лычев А.О. Анализ погрешности метода измерения интегральных характеристик сигналов по мгновенным значениям, взятым через образцовые интервалы времени и связанным с переходом через ноль / B.C. Мелентьев, Г.И. Леонович, А.О. Лычев, A.B. Симонов // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. - 1(6).-С. 61-68.

13. Лычев А.О. Синтез методов и систем измерения интегральных характеристик с использованием ортогональных составляющих гармонических сигналов / B.C. Мелентьев, А.О. Лычев, A.A. Миронов // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Тр. XIV Междунар. конф. - Самара: Самар. научный центр РАН, 2012. - С. 625-633.

14. Лычев А.О. Метод измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, разделенных во времени и пространстве / B.C. Мелентьев, Ю.М. Иванов, А.О. Лычев // Измерения: состояние, перспективы развития: тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. - Т. 1. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2012. -С. 169-171.

15. Лычев А.О. Оценка погрешности квантования при измерении интегральных характеристик с использованием разделения сигналов в пространстве / B.C. Мелентьев, А.О. Лычев, В.В. Муратова // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании (КТ-2012): Тр. 11 Междунар. межвузов, науч.-практ. конф. -Самара, 2012.-С. 31-33.

16. Лычев А.О. Анализ влияния погрешности фазосдвигающих блоков на результат измерения интегральных характеристик на основе запоминания и сравнения ортогональных составляющих напряжения и тока / А.О. Лычев // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: Мат. Х-й Междунар. науч.-практ. конф.-Курск: Юго-Зап. гос.ун-т,2013.-С. 182-184.

17. Лычев А.О. Оценка влияния нестабильности фазосдвигающих блоков на результат измерения интегральных характеристик на основе сравнения ортогональных составляющих напряжения и тока / А.О. Лычев // Современные инновации в науке и технике: Мат. Ш-й Междунар. науч.-практ. конф. - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2013.-С. 115-118.

18. Лычев А.О. Анализ погрешности фазосдвигающих блоков на погрешность измерения интегральных характеристик гармонических сигналов / А.О. Лычев // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. - 1(8). - С. 46-51.

19. Лычев А.О. Оценка влияния погрешности фазосдвигающих блоков на результат измерения интегральных характеристик на основе сравнения ортогональных составляющих напряжения / А.О. Лычев // Проблеш.1 автоматизации и управления в технических системах: Тр. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Издательство ПТУ, 2013. - С. 100-104.

20. Лычев А.О. Исследование метода измерения интегральных характеристик на основе формирования дополнительных сигналов напряжения / B.C. Мелентьев, В.И. Батищев, А.О. Лычев, A.B. Симонов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Тр. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Издательство ПТУ, 2013. - С. 235-238.

21. Лычев А.О. Исследование погрешности метода определения интегральных характеристик на основе сравнения мгновенных значений гармонических сигналов, распределенных в пространстве / А.О. Лычев // Математическое

моделирование и краевые задачи: Тр. IX Всерос. науч. конф. с междунар. уча-стинм. - 4.2. - Самара: СамГТУ, 2013. - С. 100-103.

22. Лычев А.О. Оценка влияния погрешности фазосдвигающих блоков на результат измерения интегральных характеристик по ортогональным составляющим, связанным с переходом через ноль напряжения и тока / А.О. Лычев // Информационные технологии в науке и производстве (ИТНП-2013): мат. Всерос. науч.-техн. конф. - Самара: СамГТУ, 2013. - С. 82-85.

23. Лычев, А.О. Оценка влияния погрешности квантования на результат измерения активной и реактивной мощностей [Электронный ресурс] / А.О. Лычев // Южно-Сибирский научный вестник. — 2013. — №1(3). — С. 61-63. - Режим доступа: http://s-sibsb.ru/images/articIes/2013/1/12 6l-63.pdf.

24. Лычев А.О. Оценка влияния погрешностей формирования дополнительных сигналов на погрешность измерения интегральных характеристик / А.О. Лычев //Приволжский научный вестник. - №6(22). - 2013. - С. 38-41.

25. Лычев А.О. Оценка погрешности фазосдвигающего блока при измерении интегральных характеристик с использованием компарирования мнгновеных значений гармонических сигналов / А.О. Лычев // Техника и технологии: пути инновационного развития: Мат. П1-Й Междунар. науч.-практ. конф. — Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2013.-С. 110-114.

26. Лычев А.О. Оценка погрешности измерения интегральных характеристик гармонических сигналов из-за отклонения утла сдвига фазы в канале напряжения / А.О. Лычев // Перспективное развитие науки, техники и технологий: мат. Ш-й междунар. науч.-практ. конф. - Т. 2. - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2013. - С. 273-276.

27. Лычев А.О. Оценка погрешности метода измерения частоты по мгновенным значениям гармонических сигналов / А.О. Лычев // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: Мат. XI-й Междунар. науч.-практ. конф. - Т. 2. — Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2014. - С. 361-364.

28. Лычев А.О. Исследование влияния погрешностей формирования дополнительных сигналов на погрешность измерения интегральных характеристик с использованием ортогональных составляющих гармонических сигналов / А.О. Лычев // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2014. - 1(9). - С. 50-61.

29. Лычев А.О. Исследование погрешности средства измерения частоты с пространственным и временным разделением мгновенных значений гармонических сигналов / B.C. Мелентьев, А.О. Лычев // Современные инновации в науке и технике: Мат. IV-й Междунар. науч.-практ. конф. - Т. 3. - Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2014.-С. 108-112.

30. Лычев. А.О. Моделирование и исследование характеристик измерительных преобразователей: учеб.-методич. пособие / B.C. Мелентьев, А.О. Лычев, A.M. Смолина. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2014. — 64 с.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.028.05 ФГБОУ ВПО "Волгоградский государственный технический университет (протокол №"20 от 08.10.2014 г.)

Формат 60x84 1/16. Уч. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 794.

Отпечатано на ризографе.

ФГБОУ ВПО "Самарский государственный технический университет" Отдел типографии и оперативной печати 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244