автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод, модели и алгоритмы обработки информации при регистрации и принятии решений об аварийных процессах в системах электропитания

На правах рукописи

КОЗЫРЕВ АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОД, МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

ПРИ РЕГИСТРАЦИИ И ПРИНЯТИИ РЕШЕНИЙ ОБ АВАРИЙНЫХ ПРОЦЕССАХ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

005561359

Волгоград-2015

005561359

Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникаций

Московского института электроники и математики федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Увайсов Сайгид Увайсович.

Официальные оппоненты: Шилин Александр Николаевич,

доктор технических наук, профессор,Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Электротехника», заведующий;

Шевчук Валерий Петрович, доктор технических наук, профессор, филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», в г. Волжском, главный научный сотрудник».

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики».

Защита состоится «23» апреля 2015 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г.Волгоград, пр.Ленина, 28, ауд. 209.

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

Автореферат разослан « фог^заля

Ученый секретарь

диссертационного совета ? ^ Водопьянов Валентин Иванович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Любая современная электроустановка, - сложная разветвлённая электротехническая система с несчетным количеством технических состояний, неотъемлемыми частями которой являются системы автоматического контроля и защиты, служащие для целей обеспечения соблюдения нахождения её ключевых электротехнических параметров в заданных техническими требованиями допустимых пределах.

Подобные системы контроля и защиты могут представлять собой как отдельные защитные устройства и элементы, так и сложные автоматизированные комплексы с непрерывным дистанционным мониторингом. Необходимость наличия подобных систем в электроустановках обуславливается, прежде всего, обеспечением требований эксплуатационной, электрической и пожарной безопасностей. Наряду с включением данных систем контроля и защиты, в состав общего электротехнического оборудования электроустановки, также, в целях повышения общей безопасности применяются и другие методы, мероприятия и средства защиты. Однако, применение одних из них требуют существенных финансовых затрат или значительных расходов при обслуживании электроустановок, а применение других часто не приводит к ожидаемым результатам. Состав оборудования -напрямую определяет режим функционирования электроустановки.

Наиболее эффективно цель по обеспечению безопасности достигается, если при решении данной задачи удаётся заблаговременно предупредить возникновение аварийного события.

Анализ статистики по пожарам, возникшим по электрическим причинам, показал, что основная доля пожаров приходится на электроустановки с некачественными электрическими соединениями и ненадёжными контактами, а не на электроустановки, подвергаемые перегрузкам токоведущих шин и коротким замыканиям.

Наиболее опасно, с точки зрения первопричины возгорания, - искрение, происходящее в ответственных и взрывоопасных сооружениях. Одна из причин взрывов на атомных станциях, в шахтах, в химических комбинатах и на других производственных энергокомплексах, — это искрение в цепях электросистем при наличии взрывоопасных смесей. Обеспечение взрыво-пожаро- и электробезопасности напрямую связано со снижением аварийности электроустановок как промышленного, так и бытового назначения.

Таким образом, разработка эффективного метода регистрации аварийных электрофизических процессов, возникающих в различных электроустановках, является одной из ключевых задач более общей задачи по определению состояния электросистемы, что и определило актуальность выбранной темы.

Степень изученности проблемы.

Проблемы, связанные с побочными эффектами искрения, дуговых замыканий и возникновения неустойчивого переходного сопротивления в электрических соединениях сопровождают человечество на протяжении всего

периода использования свойств электрического тока. Эти проблемы решаются в каждом конкретном случае различными методами.

Исследованиям методов в области обнаружения искроподобных аварийных процессов посвящён ряд трудов. Однако, до настоящего времени не создано эффективного технического решения по выявлению дефектов, вызывающих возникновение и протекание подобных аварийных процессов.

Особое внимание изучению данной проблемы стало уделяться после подробного анализа технических причин, приведших к катастрофам в авиации.

Вопросы, связанные с анализом аварийных процессов искрения рассматривались в работах Королёва И. С., Павлова, Д.Д., Костина Ю.А. Владимирова Ю.Ф. Самгина Э.Б., Сошникова С.А., Солёного C.B., Жданкина В.К., Ковалёва А.П., Демченко Г.В., Степанова Б.М., Кормильцева П.В., Бершадского И.А., Пахомова А.И., Орлова К.В. и других исследователей.

Авторы отмечают сложность анализа по выявлению аварийных электрических процессов, протекающих в работающей на множестве возможных режимов электроустановке, возрастающую с более непредсказуемым поведением её электроприёмников.

Существующие методы, предложенные и описанные в вышеуказанных работах и патентах, к сожалению, на практике оказываются недостоверными и малоэффективными, вследствие своей сложности и неоднозначности. Также они обладают существенными ограничениями по применимости. Основные недостатки методов, предложенных в работах вышеуказанных авторов, связаны, прежде всего, с недостаточным изучением данной области и отсутствием комплексного подхода к электроустановке при решении данной проблемы.

Потребность в данном исследовании обусловлена необходимостью создания и совершенствования различных методов по выявлению аварийных нестационарных процессов, в том числе в системах электропитания, что и повлияло на выбор темы исследования, его объект, предмет, цель и задачи.

Целью работы является повышение пожарной и эксплуатационной безопасностей промышленных и иных электроустановок путем выявления аварийных процессов в системах электропитания.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены задачи:

• Исследованы существующие решения, методы и мероприятия, направленные на снижение вероятности возникновения аварийных процессов в системах электропитания.

• Проанализированы электрические характеристики при наличии и отсутствии аварийных процессов.

• Выявлены закономерности, при протекании аварийного электрического разряда (АЭР).

• Разработан метод детектирования АЭР.

• Разработан алгоритм организации метода детектирования АЭР, для систем цифровой обработки информации.

• Проведены экспериментальные исследования.

• Спроектированы и построены элементы систем, реализующих метод детектирования АЭР. Объект исследования: процессы контроля электроустановки как сложной недетерминированной системы и обнаружения (регистрации) в ней аварийных нестационарных процессов, таких как, дуговое замыкание, пробой и искрение (аварийный электрический разряд), непосредственно определяющие режим её функционирования.

Предмет исследования: метод, модели, алгоритмы, программно-аппаратные и методические средства распознавания аварийных электрических разрядов (АЭР) в электроустановках.

Методы исследования: принципы научного познания, научные достижения, отражённые в публикациях отечественных и зарубежных учёных в области контроля, теория исследования поведения сложных систем.

В работе использованы методы системного, логического, статистического анализа и имитационного моделирования. При решении поставленных задач применялись методы системного подхода, теория электрических цепей и практическая электротехника, методы математического анализа, машинные методы анализа и синтеза, методы моделирования и обработки экспериментальных результатов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в развитии методологии выявления аварийных нестационарных процессов в системах электропитания. В рамках работы созданы:

1. Метод распознавания аварийных процессов в электроустановке, основанный на выявлении повторяемости закономерностей, отличающийся от классического вероятностного подхода разделением зарегистрированного сигнала на регулярную и иррегулярную составляющие, и дальнейшей их обработкой;

2. Математическая модель АЭР, отличающаяся от известных, представлением зарегистрированного сигнала АЭР в виде серий случайных периодичных и непериодичных коммутаций;

3. Алгоритм детектирования АЭР, основанный на принципе разделения и последующего сравнения выделенных компонент, отличающийся простотой и последовательностью вычислений:

4. Структура следящей системы для принятия решений об аварийных процессах, протекающих в электроустановке, основанная на элементах сравнения - компараторах, амплитудных дискриминаторах, линиях задержки и фильтрах.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные программно-методические средства позволяют повысить достоверность обнаружения аварийного электрического разряда, сократить время на его выявление и, в конечном итоге, повысить безопасность эксплуатации электроустановки.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Метод распознавания аварийных процессов в электроустановке.

2. Математическая модель аварийного электрического разряда (АЭР).

3. Алгоритм детектирования АЭР в электроустановках.

4. Структура следящей системы, использующей предложенный принцип.

Апробация результатов работ. Основные положения диссертационного

исследования докладывались и обсуждались на научно- практических конференциях: «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2010, 2011, 2012 гг.), «Ежегодная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов» МИЭМ НИУ

ВШЭ. (Москва, 2013г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, отражающих основное содержание диссертационной работы, в том числе 5 статей в рекомендуемых ВАК РФ научных журналах, получено 2 патента на изобретение и 2 патента на полезную модель.

Достоверность полученных в работе методов подтвердилась в процессе проводимых исследований и стендовых испытаний в частной российской компании ООО «АСТРО-УЗО», а также в ходе проведённых испытаний готового изделия немецкой фирмой «Боерке».

Структура работы диссертационной работы состоит из введения, четырёх глав и заключения, библиографического списка и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, её теоретическая и практическая значимость, обозначены объект и предмет исследования, сформулирована цель исследования, указаны методы исследования, приведен перечень конференций, на которых докладывались и обсуждались основные положения диссертации, перечислены основные положения, выносимые на защиту, основные результаты и научная новизна работы.

В первой главе на основе изученной литературы и проведённой серии экспериментов при различных режимах работы проводится анализ аварийных электрических процессов, протекающих в электроустановке как в целостной недетерминированной системе, и выделяются такие процессы, как искрение, дуговой пробой, а также другие нестационарные процессы, возникающие по причине образования неустойчивого переходного сопротивления в электрических соединениях.

В начале главы приводится обзор методов, технических решений, мер и мероприятий, направленных на обеспечение искробезопасности как самой электроустановки, так и отдельных её частей, указываются особенности их применения. Большинство из них, в первую очередь, направлены на снижение вероятности возникновения аварийных электрических процессов и нежелательных явлений в электроустановке.

Анализируются различные методы обнаружения искрений и дуговых замыканий (Таблица 1), в том числе, на основе частотного анализа, анализа ПГТ, подсчёта числа коммутаций в единицу времени, отклонения фазы, вейвлет-преобразований, тепловизионные и другие.

Таблица 1- Методы обнаружения искрения и электрической дуги

Метод Тепловизионный Радиочастотный Электрический

Регистрация аварийной ситуации в контролируемой сети возможна проблематична в ряде случаев (высокий уровень внешних электромагнитных помех, экранировка проводников) возможна

Определение места аварии возможно проблематично затруднительно

Способ определение места нагрева электрических контактов по термограмме спектральный анализ радиоэфира на предмет наличия характерного набора частот временной, либо частотный анализ токов и (или) напряжений в контролируемой цепи

Далее описано явление АЭР, физика процесса формирование угольного мостика через зёрна обугленного материала, переходы в другие виды разряда, что (рисунок 1) и приводятся различные осциллограммы тока, полученные при искрении, дуговых пробоях на различных режимах работы электроустановки.

Для формализации было введено и уточнено понятие аварийного электрического разряда (АЭР), как комплексного физико-химического процесса, нехарактерного для электроустановок, машин и устройств, находящихся в исправном состоянии, сопровождающийся местным выделением тепла, который может привести к возгоранию или воспламенению изоляционных материалов и окружающих предметов и веществ. К такому виду аварийного разряда можно отнести искрение, дуговой пробой и др. проявления

соединений.

а) б)

Рис. 1 - Формирование угольного мостика а) и фрагмент осциллограммы зарегистрированного сигнала при искрении в неустойчивом соединении б)

Любая электроустановка, как связная система, в упрощённом типовом виде, может быть структурно представлена, как последовательно-связанные три объекта: источник (генератор электроэнергии), линия передачи и потребитель (электроприёмник, электрическая нагрузка).

Режим функционирования электроустановки, в свою очередь, определяется комбинацией электрических процессов, протекающих в ней. При анализе режимов работы электроустановки, особое внимание уделяется методам, как наиболее технологичным, основанным на непосредственном измерении характеристик электрических величин.

При постановке задачи выделяется часть системы и проводится сужение, в результате которого, решение задачи сводится к анализу свойств и характеристик электрических приёмников, как наименее предсказуемых элементов системы, прямо влияющих на протекающие в ней электрические процессы и непосредственно задающих режим функционирования всей электроустановки.

Описываются характерные особенности работы электроприемников на различных режимах, оказывающих прямое влияние, как на объект исследования, так и на всю систему в целом, для чего приводится классификация электроприёмников по различным характерным признакам.

Завершают главу ограничения и допущения диссертационной работы. На основе проведённого обзора делается вывод о правильности выбранной цели и

частных задач исследования.

Во второй главе обосновывается научный подход к проблеме.

Субъект исследования

Рис. 2 - Схема исследования объекта

В ней приводится терминология и описывается методологическая концепция, аксиоматика и основная теория с формализованным обоснованием, а также, приводятся основные отличия от классического вероятностно-статистического подхода к изучению проблематики исследования при выявлении на фоне регулярных процессов, нерегулярных процессов искрения.

Для исследования предлагается общая схема взаимодействия исследователя (субъекта исследования) с изучаемым объектом (объект исследования) по выявлению неявных связей и установлению соответствий, определяющих закономерности протекания внутренних процессов в объекте исследования (ОИ). Приведённая на рисунке 2 схема позволяет понять научный подход исследователя к установлению закономерностей и выявлению устойчивых связей, в соответствии с которым, применительно к объекту исследования, регистрируется и анализируется проявления повторяемости закономерностей.

В основу методологии положен подход об установлении функциональных связей между воздействием и реакцией на данное воздействие в незамкнутой системе: субъект исследования - объект исследования. На основе данного подхода вводятся понятия регулярности и иррегулярности (рисунок 3), которые используются для определения классов режимов.

На основе выделенных характерных отличительных свойств объекта исследования, вводится понятие регулярной и иррегулярной составляющих.

В качестве математической модели АЭР принят случайный процесс R(t,À), описывающий полное переходное сопротивление АЭР, зависящее от физических факторов. Изменение значения R(t,À) (рисунок 4), определяется законами щ и (р, функций распределения Fr и FH случайных величин т(со) и Н(со) в зависимости от степени влияния параметров ai и bj.

Рис. 4 - Графическое представление математической модели АЭР

В ходе исследований для построения математической модели метода, анализируются существенные признаки и характерные отличительные свойства режимов, выделяются два взаимоисключающих класса режимов функционирования электросистемы, класс стационарных (КСР) и класс нестационарных режимов (КНР), а также вводится дополнительное понятие штатного электрического разряда (ШЭР).

Таблица 2 - Отличительные признаки аварийного электрического разряда

Режимы работы при отсутствии каких-либо искрений, свободные от случайных и неустойчивых коммутаций Режим работы при ШЭР (с элементами, реконфигурирующими систему, в т.ч. с лавинными характеристиками Режим работы при наличии АЭР (аварийного электрического разряда)

стабильность стационарность регулярность периодичность предсказуемость нестабильность нестационарность случайность неповторяемость непредсказуемость

Штатный электрический разряд (ШЭР) - разряд любого вида (искровой, дуговой и др.), присущий ряду электрических машин и устройств (коллекторные электродвигатели, выключатели, контакторы, реле, сварочные аппараты, газоразрядные лампы и т.д.)

Применяя метод декомпозиции, исходный зарегистрированный сигнал, как ключевой параметр, характеризующий режим функционирования системы, в общем случае, может быть представлен в виде суммы двух составляющих:

W = ьЛО+hiAO = XX (0 + i hit) (l)

k=1 l=m+\

В свою очередь, в соответствии с предложенной методологией, регулярная компонента исходного зарегистрированного сигнала также может быть представлена в виде суперпозиции двух составляющих: взаиморегулярной и пряморегулярной составляющих, что проиллюстрировано на рисунке 5.

Таким образом, предполагается, что основным атрибутом аварийного режима функционирования системы, является её нестационарная хаотическая динамика, т.е. такая динамика, вероятностные характеристики которой,

меняются во времени случайным образом. В частности, подобным образом, ведёт себя характеристика полного тока, протекающего в электроустановке.

Зарегистрированный сигнал (тока г'(/))

Регулярная компонента сигнала - РК Иррегулярная компонента сигнала - ИК

Взаиморегулярная составляющая

Пряморегулярная составляющая

Рис. 5 - Представление исходного сигнала, в виде отдельных его составляющих

Для ШЭР характеристики РК (форма и период) и ИК (распределение), либо неизменны, либо меняются медленно (заметное изменение происходит за достаточно длительное время). Для АЭР характеристики РК и ИК меняются быстро (заметное изменение происходит за очень короткое время).

Для математического описания регулярной и иррегулярной компонент вводятся функционалы и) и /2(ы) соответственно:

и

при условии, что Ьг - пространство интегрируемо, где: и - зарегистрированный сигнал тока г(г); 1

{1-М,

(Ли)(0 = (к * #)(0 = | и(0& ; - оператор усреднения;

2Т [г-гл-г]

(Ви)(1)~и((-Т) ; - оператор сдвига;

I

>2

(4

(7и)(0 = и(0 ; -тождественныйоператор, а |и|| = ||м(г)|2Л

\ а

Таким образом /[(и) - оценивает апериодичность исходного сигнала, т.е. отклонение сглаженной, - регулярной компоненты, от некой периодической функции с периодом Т, а /2(м) - оценивает общий уровень случайного шума в исходном сигнале. В КСР входят все режимы, в которых изменение значений функционалов имеет преимущественно детерминированный характер (например, штатные режимы работы активных нагрузок, коллекторных двигателей и пр.). В КНР входят все режимы, в которых изменение значений функционалов имеет преимущественно стохастический характер (искрение).

На первом этапе происходит обработка последовательности {(*л1,*„12)}"' следующим образом:

I (р+т у

| | (и(в)-и(в-Т))с10 ар

!-т\р-Г У

\г

(2а)

1 7 V

2т

Лр

(26)

Вначале, из исходного сигнала удаляется регулярная компонента путем вычитания «сглаженной» последовательности.

На втором этапе необходимо получить трендовую последовательность

{(уп1,у„а)}"^, проводя вычисления в соответствии с приведённой формулой:

л(0 =

Г1 1-гТ

(3)

при: &е{1,2}, - для параллельной обработки значений функционалов

регулярной и иррегулярной компонент соответственно.

Из формулы (3) видно, что берётся абсолютное значение усреднённого отклонения за несколько периодов анализа. Это делается для того, чтобы выделить высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигнала, благодаря чему, сводится к минимуму влияние фоновых сигналов.

На третьем этапе происходит фильтрация и рекурсивный учёт истории значений. Обработка последовательности в общем виде может быть представлена:

= (4)

где: Ь и Ы, - линейный и нелинейный фильтры соответственно, применяемые к предыдущим и текущим значениям, полученным на предыдущем этапе.

Получаемые на третьем этапе значения, необходимо накапливать особым образом: с учётом требований по обеспечению избирательной чувствительности к средним значениям, но, при этом, чувствительность к одиночным «изолированным» импульсам (выбросам), и к малым значениям, должна быть минимальной.

Данная задача может решаться при использовании преобразований,

**(0 = ]Ч(0)ехрК(0-ОУл(0) -

г \ Г V

гуЛО ехр —Ь гук{ 0

} укШ№ и } Ук(0)с1р(в) \1-т /

(5)

Таким образом, в конце каждого из этапов, в соответствии с формулами (2а), (26), (3) и (5), формируются 3 пары последовательностей:

{(Х,!'*^)}^ - значения функционалов до применения процедуры усреднения значений и учёта истории;

{»„.кЛд )}„=(, ~ после усреднения, с учётом истории;

{(2л,1'-гл,2)}„=0 - после трендового усреднения, применения фильтров и учёта истории

На заключительном этапе, одновременно вычисленная пара значений и, взятая в конкретный момент времени из последовательности {(гл ],2л2)}п=о, сравнивается с парой значений аир:

(7,х>а)&.{Хг>Р) (6)

где: а и /3 - предустановленные пороговые значения (уставки), определяемые интервалами усреднения, коэффициентами передачи, параметрами применённых фильтров, и других, включённых в тракт звеньев.

В результате применённых операций обработки информации, в пространстве значений и 2г формируются области, где, в КСР входят все режимы, в которых изменение значений и 2г имеет, преимущественно, детерминированный характер. А в КНР входят все режимы, в которых изменение значений и 2г имеет, преимущественно, стохастический (случайный) характер (например, искрение), (рисунок 1, б)).

КНР

КСР

КСР

КНР

ШЭР

АЭР

а)

и, п

<>-о РК, ик

б)

Рис. 6 — Графическая интерпретация математической модели режимов работы системы а) и отношения соответствия между объектами материального мира и объектами математической идеализации б)

В главе излагается математическое обоснование метода, основные формулы, позволяющие осуществить выделение компонент. Использование предложенных фильтров позволяет однозначно определить класс режима работы электроустановки (КНР или КСР). И, таким образом, операцией соотнесения, - осуществляется логический переход от мат. модели к установлению самого факта присутствия АЭР в контролируемой цепи. На

рисунке 6, б) приводится соответствие между предложенными объектами математической модели, их характеристиками со штатным либо аварийным режимом функционирования электроустановки.

В конце главы изложены основные выводы, ограничения по применимости метода, представлена полная и упрощённая схемы предложенного метода (рисунок 7), даются рекомендации по практической реализации с использованием ПК.

и»

Выделение *«д Обработка У,.1 Обработка

РК

Выделение ИК Обработка Обработка ^„2

Выход

Рис. 7 - Упрощённая блок-схема метода

Третья глава посвящена описанию моделей, верификации метода, созданию стенда, алгоритму детектирования АЭР и дискретному представлению основных преобразований метода с их подробным описанием для поэтапной конвейерной обработки информации. Также, в главе заложены основы инженерной методики по созданию устройств, - детекторов АЭР.

В начале главы приводится описание основных преобразований метода, представленных в дискретной форме. Затем, на основе предложенного формализованного алгоритма, приводится верификация.

„"А, ,/Л

; . оеИ^рвлкмЦ П" _| ,

Отключение контрол. цели

^Зр?*««® X «ЭД& :ц|I ;: X

Л - .. «я йяевй.^-!.- — - -'—и.

15 й ШШШтШИII шттХ«еС_Г- з;р

§I % 1 \ и---...

г!:-

! 7.,>а

Время

Сигнал на исполнительный узел

Рис. 8 - Временная диаграмма, поясняющая конвейерный способ обработки сигнала тока

В ходе практического применения основные преобразования метода по обработке сигнала были представлены в дискретном виде. Также, в ходе

исследовательской работы была применена последовательная пакетная обработка получаемого потока исходных данных, согласно которой, исходный зарегистрированный сигнал представляется в виде наборов отчётов. Каждый такой набор из М отчётов ит соответствует определённому кадру - фрагменту осциллограммы исходного сигнала после аналого-цифрового преобразования за конкретный промежуток времени Т] (рисунок 8)

При таком способе, обработка фрагментов осциллограмм - кадров, осуществляется последовательно в обоих каналах. По завершению обработки каждого кадра формируются три пары значений. Последняя пара и и определяет режим аварийности контролируемой системы путём сравнения абсолютных величин этих значений с предустановленными значениями уставок.

Выделение компонент, и их последующие преобразования происходят следующим образом: из полученного набора отсчетов мгновенных значений сигнала, полученных за промежуток времени Т1 поэлементно вычитают набор

отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени :

ит, т<.М

(7)

где: ит - ш-й элемент набора отсчётов, получаемых из дискретизированного исходного зарегистрированного сигнала тока.

Затем, к полученному набору чисел по формуле (7) и к исходному набору отсчётов ит соответственно применяют операторы усреднения по формулам:

1 т --7-ГТГТТ 2 (8а)

1 п -;-г-г—Г £ и1 (86)

После этого вычисляют нормы полученных результатов для первого и второго каналов обработки соответственно по формулам:

(9а) (9б)

Из получаемых значений вычитают средние арифметические наборы отчётов, полученные за последние г промежутков времени Т) и берут их абсолютные значения по формулам:

Уп.к =

1 V

хп* , ¿а хч*

' > А т=п-г

; (Юа)

\х»А>п<г

=|*яЛ|;иб{0,..,г-1};*е{1,2} (106)

Выход

При конвейерной поэтапной обработке, последующие значения вычисляются, используя предварительно вычисленные предыдущие, т.е. задаются рекурсивным способом.

Рис. 9 -Эскизы графиков различных выбранных функций для реализации нелинейного фильтра

Вход

Далее, в соответствии с методом, к каждой из получаемых последовательностей необходимо применить преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления.

Для выбора в качестве линейного фильтра обработки было принято решение использовать фильтр с передаточной характеристикой, затухающей по экспоненциальному закону, как наиболее естественного для решения

подобного рода задач.

При решении задачи синтеза, заключающейся в выборе такого нелинейного фильтра, который бы обеспечивал подавление единичных выбросов большой амплитуды при фиксированных значениях параметров усреднения, реализовывался с использованием простых программных операций и не требовал значительного времени на вычисление, был проведён сравнительный анализ нелинейных фильтров из числа фильтров, представленных в библиотеках среды программирования. Также, для целей применения плавной амплитудной дискриминации во всей области значений проведено изучение поведения представленных фильтров, из которых был выбран фильтр наиболее удобный для реализации в программном коде и наименее требовательный к вычислительным ресурсам (рисунок 9).

В формуле (11) завершающий этап преобразований представлен в дискретной форме с нормировкой нелинейного фильтра:

п—1

2*аехР {ак(т-п + \)) +

С

•п=п-р

и-1

\Л

+л/214ъ (Уп*)г№ Е У**

^ / V у т=п-д /У

ехр

-К

У п.к,

~ 2, у^

Я. т=п-(

// (П)

где: к е {1,2}, - первый и второй каналы обработки соответственно, ак' параметр «успокоения», характеризующий степень влияния предыдущих значений г^ на текущее ъп.{ак> 1п2),

Ьк - параметр «подавления», характеризующий степень влияния единичных импульсов большой амплитуды, (при нормировке для 1^(0 = 1,6 = 0.184),

Р - число предыдущих кадров участвующих при расчёте первого значения {(*„,:,х^)}^,

q - количество кадров, значения из которых используются для вычисления текущего, \ т - глубина истории расчёта для выбранного канала,

) п - индекс номера кадра,

г - количество выборок, по которым происходит усреднение в выбранном канале.

В ходе решения поставленных задач на основе приведённых преобразований был составлен алгоритм, представленный на рисунке 10.

применения на ПК и представленный в виде блок-схемы.

На заключительном этапе принятия решения о наличии АЭР либо его отсутствии в контролируемой электросистеме проводится сравнение с предварительно выбранными значениями уставок а и /?, полученными на основании проведённых экспериментов по определению минимально допустимой тепловой энергии, непрерывно подводимой к месту локального нагрева и необходимой для возгорания окружающих изоляционных материалов.

яня

- • • : • Г\' м | ■ V 4 I- % > ,1 | ! у ' ч > • —1 1 }1'и1$ 1 :;"»•■ '■ .....

Рис. 11 - Моделировшгие режимов работы электроустановки

При динамическом моделировании в режиме реального времени на основании данных, полученных при анализе работы различных электроприёмников, для выбранных фильтров более точно корректируются весовые коэффициенты и определяются основные функциональные параметры; проводится оценка времени срабатывания и достоверности обнаружения АЭР.

Рис. 12-Перекрытие математической модели и режимов функционирования контролируемой электроустановки в пространстве значений Ъ\ и ошибки модели 1 -ого и 2-ого рода

Для динамической верификации метода на базе современного портативного ПК (ноутбука) был построен стенд.

В конце главы приводится структурная схема следящей системы, реализуемой с использованием аналоговых (непрерывных) элементов обработки (рисунок 13) и даются рекомендации по её построению, проводится оценка на устойчивость в случае применения в качестве логической основы работы системы, - выработанного алгоритма на основе предложенного метода.

1 Ошибки 1 родэ (срабатывание при ШЭР)

Ошибки 2 рода (несрабатывание при АЭР)

Блок обработки

¡Блок сравнения '

Рис. 13 - Структурная схема следящей системы, реализуемой с применением аналоговых (непрерывных) элементов обработки сигнала тока

В основу создания устройств и систем подобного типа заложены принципы организации их работы, полученные в рамках развития методологии выявления аварийных ситуаций. Как правило, такие устройства представляют собой локальные системы автоматического контроля и защиты, динамически обрабатывающие информацию в режиме реального времени.

Четвёртая глава посвящена описанию инженерной методики и практической реализации на основе выработанного алгоритма.

В главе описана структура и принцип работы автоматической системы контроля и защиты, представляющей собой законченное устройство, спроектированное и построенное с использованием предложенного в работе метода и в соответствии с выработанной инженерной методикой.

Контроллируемая цепь

Исполнительный механизм Л- \г Модуль ЦОС Л- у- АЦП

Рис.34 - Общая блок-схема автоматической системы контроля и защиты

В главе описана разработка универсального встраиваемого модуля, предназначенного для интеграции в качестве ключевого элемента в различные системы автоматического управления и контроля, приводится реализация микропрограммного кода при использовании языка Assembler.

- к

Х- % К

ьШ' »Л

Шш§

ш

Рис. 15 - Внешний вид прототипа устройства, собранного на макетной печатной плате

В рамках работы была подана заявка на конкурс ФИП-2012 предпринимательских проектов «От инициативы к проекту», по которому выигран грант, в результате чего был разработан бизнес-план проекта и созданы элементы системы принятия решений (рисунок 15) и опытный образец устройства, - детектор аварийного электрического разряда - «ДАЭР»,

РВО (ХСК/ТО) ршсп) РВ2 (AINQ/INT2) РИЗ (AINI/OCO) РВ4 (SS) PBS(MOSl) РЛ0 (ADCO) PA1 (ADC1) PA2 (ADC2) РАЗ (ADC3) PA4 (ADC4) PAS (ADC5)

РВ7 (SCK) PA7 (ADC7)

POO (RXD) PD1 (TXD) PD2 (INTO) PI53 (INT1) РЕМ (OC1B) PD5 (OC1A) TO6(JCP) НЯ (OC2> PCO (SCL) PCI (SDA) PC2CTCK) PC3 (TMS) PC4 (TDO) PC5(TDI) PC6(TOSCl) PC7 (TOSC2)

RE5ET vcc vcc vcc

GND AREF GND Thermal PHd

GND

ЛТтс)у|Ш4Р-МиЛ

Рис. 16 - Принципиальная схема универсального встраиваемого модуля, созданная в среде сквозного проектирования Altmm Designer

После оценки возможности создания разрабатываемого детектора и выбора элементной базы, было осуществлено макетирование и проведен ряд первичных испытаний в составе бытовой электросистемы, что позволило

выбрать датчик, провести общую оценку работы прототипа, определиться с необходимыми и достаточными вычислительными ресурсами микроконтроллера, разработать принципиальные схемы (рисунок 16) для узлов систем принятия решений и составляющих её элементов.

Помимо этого, макетирование позволило сравнить работу спроектированного и построенного прототипа с динамически-верифицированной моделью, реализованной на стенде при аналогичных условиях проведения эксперимента. Одной из особенностей применения цифровых средств обработки сигналов является использование сигнала с линии напряжения, для синхронизации цепей управления АЦП и исключения, тем самым, возможного алиасинга. В ходе анализа проведённых экспериментов выяснилось, что математическая модель связывает оба показателя, однозначно характеризующих режим работы электроустановки с наличием или отсутствием аварийного электрического разряда.

В конце главы описывается ряд испытаний законченного устройства, реализованного с использованием предложенного в работе метода, описаны методика проведения и сами результаты испытаний.

В заключении перечислены научные результаты и выводы, ограничения, достоинства и недостатки метода (рисунок № 12), предлагаются различные пути для оптимизации и модификации метода.

Заключение содержит основные результаты проведенного исследования и разработки, позволяющие сделать следующие выводы:

- применение подобного класса устройств, разработанных на основе предложенного метода, в качестве защитного оборудования, - совместно с традиционно-используемыми средствами защиты либо вместо них, позволяет своевременно предупредить возникновение предпожарных ситуаций вследствие протекания в этих цепях аварийных электрических процессов.

- применение следящих систем, использующих в своей основе подобные интеллектуальные решения, даёт возможность народному хозяйству для обеспечения безопасности электроустановок перейти на новый уровень контроля и защиты.

В приложениях приведены:

- Копии свидетельств на изобретении и на полезные модели

- Листинг программы

- Принципиальная и функциональная схема устройства

- Результаты испытаний и экспериментов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Проведен системный анализ методов распознавания АЭР;

2. Предложена классификация электроприемников;

3. Разработан и верифицирован метод распознавания АЭР;

4. Разработан алгоритм детектирования АЭР;

5. Разработаны и запатентованы способ и устройство динамического обнаружения АЭР в цепях переменного тока;

6. Разработана математическая модели АЭР и структура детектора;

7. Разработана методика проектирования элементов систем контроля и защиты;

8. Выигран грант на доведение разработки до коммерчески значимой;

9. Спроектированы и построены прототипы элементов систем принятия решений и образцы изделия, - детектора АЭР;

10. Проведены апробация и внедрение результатов исследования в промышленность.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих научных журналах, рекомендуемых перечнем ВАК РФ

1. Козырев А.А, Алгоритм определения наличия аварийного электрического разряда в сетях электропитания / Аминев Д.А., Козырев A.A., Кудрявцев Д.Ю., Увайсов С.У. // «Датчики и Системы», выпуск №2, февраль,

Москва, 2013.-С. 49-51.

2. Козырев A.A. Методы измерения фазы и временных параметров

импульсов / Увайсов С. У., Аминев Д. А., Журков А. П., Козырев А. А // «Труды научно-исследовательского института радио», Кн. 4., Москва, 2013. -С. 66-72.

3. Козырев A.A. Анализ эффективности системы автоматизированного контроля / Увайсов С. У., Аминев Д. А., Журков А. П., Козырев А. А. // «Труды научно-исследовательского института радио», Кн. 4., Москва, 2013. - С. 73-78.

4. Козырев A.A. К вопросу об оценке стоимости организации канала связи для передачи информации / Аминев Д. А., Козырев А. А. // Труды «Труды научно-исследовательского института радио», Кн. 3., Москва, 2012. - С. 3-7.

5. Козырев A.A. Принцип работы устройства защиты электроустановок от дуговых замыканий / Козырев A.A., Кудрявцев Д.Ю., Монаков В.К., // Научно-технический журнал / Электро / BSN 19951-5685 Москва, 2014. - №1. -С. 28-30

Свидетельство о регистрации патентов на изобретение

6. Козырев А.А, Минченко А.В, Монаков В.К, «Способ детектирования аварийной электрической дуги и устройство для его осуществления» // Патент РФ № 2479866 от 20.04.2013 ФГБУ ФИПС.

7. Козырев А.А, Кудрявцев Д.Ю, Минченко А.В, «Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления» // Патент РФ № 2515996 от 20.05.2014 ФГБУ ФИПС.

Свидетельство о регистрации патентов на полезную модель

8. Козырев A.A., Минченко A.B., Монаков В.К., «Устройство защиты электроустановки с функцией детектирования аварийной электрической дуги» // Патент РФ № 117686 от 27.06.2012г ФГБУ ФИПС.

9. Козырев A.A., Кудрявцев Д.Ю., Минченко A.B., «Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда» // Патент РФ № 117734 от 27.06.2012г ФГБУ ФИПС.

Статьи в сборниках международных конференций

Ю.Козырев A.A. Метод проектирования контролепригодных электронных средств / Иванов И.А., Козлов А.Ю., Козырев A.A., // Труды международного симпозиума «Надёжность и качество» г. Пенза, 2008 - С.49.

11. Козырев A.A. Методика выбора контрольных точек в электрических схемах радиоэлектронных узлов / Иванов И.А., Козырев А .А, Увайсов Р.И. // Труды международного симпозиума «Надёжность и качество» г Пенза. 2009 -С. 77

12. Козырев A.A. Схема распознавания аварийного электрического разряда / Козырев A.A., Аминев Д.А., Увайсов С.У., Международная научно-практическая конференция «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве, Протвино, 2012. С.299-302.

Статьи российских научных конференций

13. Козырев A.A. Современные проблемы радиоэлектроники / Громыко А.И., Козырев A.A., Павлухина Е.В., Увайсов Р.И., // Сборник научных трудов / научн. ред.: А.И. Громыко, A.B. Сарафанов; отв. за выпуск: A.A. Левшинский. -г. Красноярск ИПК СФУ, 2008 - 465с.

14. Козырев A.A. Идентификация электрической дуги в электрических силовых цепях // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: материалы научно-практическая конференция. Под. ред. Увайсова С.У. МИЭМ, Сочи, 2010,2011

15. Козырев A.A., Кудрявцев Д.Ю. Подход к обнаружению нестационарного коммутационного процесса и синтез распознающей системы // Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, Москва, 2013.

16. Козырев A.A. Метод обнаружения аварийного электрического разряда // Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, Москва, 2013.

Подписано в печать 25.02.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 100.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.