close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102547

код для вставкиСкачать
м о с к о в с к и й ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИГУТ ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕХНИКИ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи
Экз.Хо
Абрамов Андрей Юрьеви^^
А В Т О М А Т И Ч Е С К И Е УСТРОЙСТВА И И Н Т Е Г Р И Р О В А Н Н Ы Е
ИНФОРМАЦИОННЫЕ С И С Т Е М Ы ДЛЯ КОНТРОЛЯ, У П Р А В Л Е Н И Я
И У Ч Е Т А ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЮТЕЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРОСЕТЯХ
Специальность 05.13.06- "Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами"
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва -2005 г.
Работа выполнена в Научно-исследовательской лаборатории управ­
ляющих информационных систем Московского государственного ин­
ститута электронной техники (технического университета)
Научный руководитель ; доктор технических наук , профессор,
Лауреаг премии СМ СССР,
Заслуженный деятель науки РФ
Н.Д. Дубовой
Официальные оипоненгы: доктор технических наук, профессор
Л.Г Гагарина
кандидат технических наук
Д.А. Дударев
Н И И Точного машиностроения
Ведущая организация:
(ОАО
'НИИТМ")
Защита диссертации состоится " 2 / "
(?^<'>Ьр^ 2005 i.
в '(^
часов на заседании диссергационного совета Д.212 134.04
при Московском государственном институте электронной IBXHHKH (тех­
ническом университете) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград , МИТГ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке М И Э Т
Автореферат разослан "
"
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
2005 г.
Л.И. Погалов
2т-±
210,1 о
21 imi
Общая характеристика работы
Одной из основных составляющих научно- технического професса
высокоразвитого государства является состояние и перспективы разви­
тия электроэнергетики и энергосбережения, которые во многом опреде­
ляются качеством управления, контроля и измерения параметров рас­
пределительных электросетей (РЭС), а также учега энергопотребления.
Разработка средств измерения, контроля и управления распределитель­
ными электросетями характеризуется созданием на основе элементов и
устройств вычислительной техники и микроэлектроники автоматиче­
ских устройств с программным управлением, решающих в составе ин­
формационно-управляющих систем сложные функциональные задачи
контроля и управления при большом объеме информации .
Выдающийся вклад в развитие теории управления и создание на их
основе информационно-управляющих и измерительных систем, мето­
дов повышения достоверности, быстродействия и точности измерений
внесли
С Е . Shanon , В.А. Котельников, В.М. Глушков, Б.Н. Петров,
С.А. Лебедев, Ю.В. Гуляев, К Б. Карандеев. Принципы построения
управляющих вычислительных комплексов, элементов и устройств вы­
числительной lexHHKH и систем управления изложены в работах Ф.Е.
Гемникова, А.В. Фремке, П.П. Орнатского, П.В. Новицкого, М.П. Цапенко, Ю.М Коршунова, Л.Н. Преснухина и др. Вопросами построения
сложных агрегатированных каналов связи и цифровых телекоммуника­
ционных сетей, специализированных распределенных микропроцессор­
ных вычислительных систем управления занимаются ученые Рязанской
государственной радиотехнической академии под руководством
про­
фессора В.П.Корячко.
Основы теории информационно-управляющих систем в различных
Офаслях промышленности разработаны во Всесоюзном центральном
научно- исследовательском институте комплексной автоматизации, в
Институте
проблем
управления
РАН,
во
Всесоюзном
научно-
исследовательском институте электроэнергетики.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА
ад -щ) mifbhy*
4
Распределительные электросети являются ключевым компонентом в
процессах производства, транспортировки и распределения электро­
энергии. Расширяющийся рынок электроэнергии определяе'^ говые ус­
ловия для управления энергосистемой. Ранее режимы энергосистем
управлялись только автоматическими системами диспетчерского управ­
ления (АСДУ). Вместе с тем для устойчивой и эффективной работы
энергосистем необходимы с одной стороны жесткий контроль, точность
измерений и достоверность управления распределительными электросе­
тями, с другой стороны строгий контроль и учет энергоресурсов. В на­
стоящее время указанные функции выполняются двумя автономными
подсистемами-АСДУ и коммерческого учета потребления электроэнер­
гии ( А С К У Э ) . Существенная проблема состоит в том, что, как правило,
указанные подсистемы изготовляются разными производителями, ис­
пользующими различное аппаратно-программное обеспечение, инфор­
мационные каналы связи и датчики, хотя их функции зачастую дубли­
руются. Все это приводит к возрастанию затрат на обслуживание и экс­
плуатацию систем, значительных трудностях в получении оперативной
информации о состоянии РЭС. Таким образом существующая серьезная
проблема в обслуживании распределительных электросетей делает не­
обходимым создание единой интегрированной системы, сочетающей
функции диспетчерского управления и учета энергопотребления Про­
водимые ведущими зарубежными и российскими учеными интенсивные
работы по созданию интегрированных систем, однако, пока не позволя­
ют в полной мере реализовать подобную систему. Все это требует раз­
работки новых управляющих устройств, алгоритмов формирования и
способов передачи и обмена информации при контроле и управлении
распределительными электросетями и учете потребления электроэнер­
гии. Решение указанных задач позволит полностью автоматизировать
процесс управления и контроля РЭС, обеспечив при этом высокие дина­
мические характеристики системы- достоверность, быстродействие,
точность измерений, тем самым значительно повысив эффективность и
5
надежность функционирования РЭС.
Поэтому представляются актуальными исследования, направленные
на разработку автоматических устройств и интегрированных информа­
ционных систем для управления, контроля и учета энергопотребления в
распределительных электросетягх, определяющиеся необходимостью ус­
тойчивого энергообеспечения,
достоверного контроля и управления,
высокоточного измерения параметров распределительных электросетей.
Цель работы - создание автоматических интегрированных информа­
ционных систем с функциями диспетчерского управления, контроля со­
стояния распределительных электросетей и учета потребления энерго­
ресурсов. Указанная цель достигается путем разработки автомагических
устройств управления, контроля энергопотребления и измерения элек­
трических параметров, создания новых алгоритмов обработки информа­
ции, средств повышения точности измерений и достоверности управле­
ния и контроля.
Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной рабо­
ты необходимо решение следующих задач:
разработка структур и алгоритмов работы автоматических yciройств и интегрированных информационных систем;
создание новых способов кодирования информационных сигналов
и команд управления с целью повышения достоверности информации;
разработка методики и математического аппарата для расчета ин­
тенсивности информационных потоков и вычислительной загрузки цен­
тров обработки информации;
разработка способов потокообразования и алгоритмов формиро­
вания и обработки информационных массивов, обеспечивающих раз­
грузку информационных каналов и вычислительных ресурсов интегри­
рованных систем;
экспериментальная оценка разработанных теоретических положе­
ний, технических решений и методов.
Методы исследования. Основные задачи решены на основе: теории
6
интегральных и дифференциальных уравнений, теории вероятности,
теории массового обслуживания, теории очередей, теории автоматиче­
ского управления.
Научная новизна. В диссертации содержится решение задачи разра­
ботки автоматических устройств и интефированных информационных
систем для контроля, управления и учета энергопотребления в распредетительных электросетях, имеющей существенное значение для повытения эффективности процессов распределения и потребления электро­
энергии, устойчивости работы распределительных электросетей, повы­
шения точности измерений и достоверности управления и контроля При
проведении исследований в рамках данной диссертационной работы по­
лучены новые научные результаты:
-создана вероятностная математическая модель каналов управления и
контроля в стационарных и аварийных условиях работы;
-предложены методики вычисления и способы снижения интенсивности
информационных потоков и зафузки центров обработки информации,
на основе которых теоретически обоснована возможность создания ав­
томатических интефированных информационных систем;
- разработана обобщенная функциональная схема автоматической интсфированной информационной системы с функциями диспетчерского
управления и учета потребления энергоресурсов;
-разрабо1аны устройство и способы формирования команд управления,
в которых за счет разделения формируемой команды на координаты
обеспечивается уменьшение ее общей информационной длины более
чем в 2 раза ;
-разработ аны устройство и способ прямых измерений электрических парамсфов распределительных электросетей, осг1ованные на аппроксима­
ции выборки фазных токов и напряжений, обеспечивающие существен­
ное снижение пофешности измерений;
-предложены способы двухступенчатого кодирования информационных
сигналов в каналах контроля и команд управления, обеспечивающие
7
высокий уровень достовер(юсти информации,
-разработаны устройство и способ обработки дискретных сигналов со­
стояния распределительных электросетей, обеспечивающие 1ия1 мостику
работоспособрюсти цепей связи с датчиками и повышение эффективноС1И использования канала связи;
-разработаны устройство и способ потокообразования канала учета по­
требления электроэнергии с разделением на оперативную и неоператив­
ную составляющие, доказывающие возмож1юсть включения подсистемы
Л С К У Э в структуру ин1егрированной системы;
-разработаны экспериментальные методики ycKopefnibix испытаний,
имитирующих работу интегрированных систем в реальных условиях,
алюритмы проверки функциональных устройств и технических харак­
теристик систем.
Практическая значимость работы. На основе полученных результа­
тов созданы автоматические _ ^тройства управления, конфоля, прямых
измерений интефированных информационных систем, инженерные мсгодики и математические модели 11аибольшее применение они нашли в
системах управления и контроля распределительными электросетями.
Гибкость и универсальность разработанных технических решений дела­
ет возможным их применение в системах управ;гения и контроля
тех­
нического сосгояния энергетических сисгем; тяговых подстанций элекфифицированного железнодорожного транспорта; магистральных тру­
бопроводов;
авиационных, морских и железнодорожных терминалов,
инженерных объектов коммунального хозяйства, метрополитенов и
м н о г и х ДРУ1-ИХ
Резулыагы экспериментальных исследований автора показали, что'
-относительная приведенная основная погрешность измерения силы то­
ка и напряжения равна 0,3 % , что как минимум в 2-3 раза ниже погреш­
ности при [радиционных способах измерений; в условиях сильного BOiдействия помех (при соотношении сигнал/шум 3/1-8/1) вероятность вы,„-15
вода ложной команды управления сосшвляет
10
и приема ложных
дискретных сигналов - 10''° ( при требованиям ГОСТ соответственно
10''^-]0"' и 10"'-10' для соотношении сигналЛпум не менее 8/1); в нор­
мальных условиях (при соогношении сигнал/шум 8/1) вероятность вы­
полнения ложной команды управления равна 910"'* , а вероягность
приема ложных сигналов контроля - 9 1 0 ' " , что как минимум на 2 по­
рядка ниже требований ГОСТ и обеспечиваемых лучшими аналогами.
Соотношения, выведенные для расчета вероятностных характеристик
интенсивностей информационных потоков, загрузки центров обработки
информации, достоверности сигналов контроля и команд управления
проиллюстрированы примерами расчета и подтверждены результатами
эксперимента, которые доказывают адекватность предложенных теоре­
тических положений и технических ренгений реальным процессам, про­
текающим в системах.
Достоверность научных положений определяется: корректностью
полученных математических результатов, хорошим совпадением полу­
ченных на практике характеристик автоматических устройств и интег­
рированных систем с теоретически рассчитанными.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором
лично. Главными из них являются:
-разработка устройства и способов формирования команд управления с
возможностью формирования аварийных команд ;
-разработка усгройства и способов прямых измерений элекфических
параметров распределительных электросетей повышенной точтюсти;
-создание способов двухступенчатого кодирования информационных
сигналов в каналах конгроля и команд управления, обеспечиваю11Ц1е по­
вышенную достоверность информации;
-разрабо1ка устройства и способа обработки дискретных сигналов сосюяния распределительных электросетей с диагностикой работоспособ­
ности цепей связи с да1чиками;
-созда1ШС усгройства и способа потокообразования канала учета электроэнср! ИИ с разделением на оперативную и неоперативную состав-
ляющие;
9
-разработка вероятностной матемагической модели каналов управления
и контроля в стационарных и аварийных условиях работ ы;
-разработка методики вычислений и способов снижения интенсивности
информационных потоков и эафузки центров обработки информации
интегрированных сие i ем;
-теоретическое обоснование возможности создания
интегрированных
информационных систем и разработка ее обобщенной функциональной
схемы;
-создание экспериментальных методик ускоренных испытаний, имити­
рующих работу автоматических интегрированных систем в реальных
условиях;
-разработка алгоритмов проверки функциональных устройств и техни­
ческих характеристик интегрированных систем.
Внедрение результатов работы.
Результаты теоретических исследований, проведенных в ходе выпол­
нения диссертационной работы, внедрены в следую1цие объекты и про­
цессы:
- в систему диспетчерского управления энергообъектами В В Ц России;
- в НИР № ГР 01200207913 (Шифр "405-ГБ-53-Б-УИС " за 2004 г.) и №
ГРО1200303878 (Шифр " 494-ГБ-53-Гр-НИЛУИС" 2004 г );
-учебный процесс в Московском государственном институте электрон­
ной техники (техническом университете) при чтении лекций кафедрой
"Информатика и программное обеспечение вычислительных систем".
На защи!^ выносятся :
-устройство, алгоритмы работы и способ формирования команд управ­
ления распределительными электросетями;
-устройство и способ прямых измерений электрических параметров рас­
пределительных электросетей повышенной точности;
-способы двухступенчатого кодирования информационных сигналов ка­
налов контроля и команд управления, обеспечивающие
высокий уро-
веиь достоверности информации,
10
-усгройсгво и способ обработки дискре1ных сигналов сосгояпия распре­
дели хельных электросетей, обеспечивающие диагностику работоспо­
собности цепей связи с дагчиками и повышение эффективности исггользования канала связи;
-устройство и способ потокообразовагшя канала учета потребления
электроэнергии с разделением на опера гивную и неоперативную состав­
ляющие и возможностью обработки данных от счетчиков с числоимпульсными и кодовыми посылками;
-вероятнос I пая математическая модель каналов управления и контроля
в стационарных и аварийных условиях рабо1ы;
-методики вычислений и способы снижения интенсивности информаци­
онных потоков и загрузки центров обработки информации автоматиче­
ских интегрированных систем;
-обобщенная функциональная схема интегрированной системы;
-результаты экспериментальных исследований достоверносги сигншюв
контроля и команд управления интегрированных систем и проверки
точности устройства прямых измерений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци­
онной
работы
были
доложены
на
3-й
Международной
научно-
(ехнической конференциия "Электроника и Информатика-ХХТ век" (г
Москва, Зеленоград, МИЭТ(ТУ), 2000 год) и 12-й Всероссийской меж­
вузовской научно- технической конференции студен юв и аспирантов
"Микроэлектроника
и информатика-2005" (г. Москва, Зеленоград,
МИЭТ(ТУ), 2005 год).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 рабо­
тах, в том числе 5 статей в ведун(их научных журналах и изданиях, вы­
пускаемых в Российской Федерации и утвержденных В А К Р Ф для изло­
жения основных научных результатов диссертации па соискание ученых
степеней доктора наук.
Без соавторов опубликовано 5 работ Диссертационная работа прово-
11
дилась с целью достижения результатов, соответС1вующих " Приори­
тетным направлениям развития науки, тсхнологаи
и техники Россий­
ской Федерации " и решению проблем " Критических технологий Рос­
сийской Федерации ".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четы­
рех глав, заключения, списка лигера1уры и приложений. Работа содер­
жит 152 страницы основного текста, 34 стра£1ицы с рисунками и табли­
цами, список литературы из 111 наименований, пршюжения на 22 стра­
ницах.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, форму­
лирую юя общие проблемы цели и задачи исследования, научное и прак­
тическое значение полученных резулыатов, рассматривается структура
диссертации и взаимосвязь отдельных глав.
В первой главе обзоргюго характера проведен анализ современных ав­
томатических информационных систем и их основных фу1гкциональных
устройств.
Современные распределительные электросети характеризую 1ся слож­
ностью, значи1ельнои мощностью и большим количеством различных
технологических параметров, повышенными требованиями к безопасно­
сти технологии производства, фапс1юртировки и распределения )Hepi оресурсов Указанные факторы делают необходимым применение авто­
матических систем сбора информации о состоянии РЭС, измерения их
электрических параметров, нормализации, передачи, обработки и ото­
бражения информации и формирования управляющих воздействий, т.е.
автоматических информационных систем .
Широкое распространение микроЭВМ, персональных компьютеров и
микропроцессоров в качестве обрабатываюгцсй и вычислительной базы
современных информационных систем, новые информационные техно­
логии, развитое программное обеспечение обеспечивав! в настоящее
время возможность применения таких сие] емдашрешения задач в ра,з-
12
личных областях. В первую очередь для управления и контроля энерго­
потребления промышленных производств, в корпоративных информа­
ционных сетях, региональных и автономных энергосистемах воцоснабженни, на транспорте (ж/д и трубопроводном).
В настоящее время для устойчивой и эффективной работы энергосис­
тем необходимы с одной стороны жесткий контроль, точность измере­
ний и достоверное гь управления распределительными электросетями, с
другой стороны Сфогий учет энергоресурсов. Другими словами сущест­
вует острая необходимость в совместной работе на одном объекте двух
различ}1ых типов автоматических информационных систем- диспетчер­
ского управления (АСДУ) и коммерческого учета электроэнергии
( А С К У Э ) . Очевидно, что технически и экономически целесообразно
создать единую интегрированную информационную систему, сочетаю­
щую функции указанных подсистем.
Новые требования выявили и недостатки, присущие современным
системам, главными из которых являются: функционирование двух ав­
тономных подсистем- АСДУ и А С К У Э на одном объекте; низкая досто­
верность контроля и управления распределительными электросетями;
недостаточная
точность
измерений
параметров
распределительных
электросетей; использование промежуточных преобразователей изме­
ряемых физических величин в нормализованные электрические сигналы
Совокупность приведенных вьште недостатков определяет задачи дис­
сертационных исследований, направленных на разработку новых спосо­
бов информационных обменов устройств управления, контроля, прямых
измерений и учета потребления электроэнергии Решение указанных за­
дач позволит значительно повысить эффективность функционирования
распределительных электросетей обеспечив при высокой достоверности
информации и точности измерений параметров РЭС.
Во второй главе исследованы и разработаны способы и устройства
автомагического управления, измерения и контроля параметров распре­
делительных электросетей и учета потребления электроэнергии.
13
Распределительные электросети являются сложным объектом управле­
ния, содержащим большое число взаимодействующих технических уст­
ройств, характеризующихся значительным разнообразием пяряметров.
Процесс
управления
распределительными элеетросетями весьма сло­
ж е н и многопараметричен, что накладывает достаточно жесткие требо­
вания к структуре устройства вывода команд управления ( У В К У ) , а,
именрю, разделение процедуры выполнения команды на два этапа подготовительный и исполнигельный, причем подготовительный этап
используется не только для выбора объекта управления, но и полного
контроля исправности всего тракта приема и обработки управляющих
команд. С учетом сформулировашгых требований в диссертационной
работе
предложены устройство и способ вывода команд управления, в
котором используется принцип разделения команды на координаты, о п ­
ределяющие
адрес объекта
управления, номеров группы и объекта
управления в ф у п п е , вида команды управления.
Показано, что общее число формируемых координат команды управ­
ления для предложенного С1Юсоба равно
Аку= 2- Kv
УСО + N,,poy + Nyr„
f Noy,
(1)
где Np у(а - позиционный кодом координаты номера ф у п п ы уст­
ройств связи с объектом ( У С О ) , Nyco - код номера У С О в группе, N^p ду
- код номера ф у п н ы объектов управления, Noy - код номера объекта
управления в группе, N^y- код вида команды управления.
Тогда как для традиционного способа число формируемых координаг
команды управления составит
А'КУ - N.p УСО x^Vyco + N,poy + Noy ■
(2)
Принимая, N^pOY N,p yen =16, Noy = Nyco =8, получим, что предло­
ж е н н ы й способ формирования команд управления обеспечивает умень­
шение общей длины команд управления более, чем в 2 раза.
Другим принципиальным отличием предаюженных автором научнотехнических решений являе1ся введение секции
а в г о м а ш ч е с к о ю ава­
рийного управления для авюмагической защиты цепей злек|ропитания
14
РЭС.
Повышение достоверности команд управления обеспечивается двух­
ступенчатым кодированием, сочетающим позиционный код дпя выбора
объекта управления и циклический код с шестнадцатиразрядным обра­
зующим полиномом 2"+2'^+2'+1 При указанном способе кодирования
вероятность неправильного вывода команды управления состави г
РКУ - '^Р„р, Pi (С2ц_,^ду+С2м^^у)+2р„р,
PI C^N^poy^^Noy^n''РнрлР2(Сц,рОу
где р"
Р2 (CTN^I,
+Cf^^y) ,
оУ^^2Моу)
(3)
- вероятность двукратного искажения кода из-за двойной неис­
правности регистра, р2 ~вероят1юсть того, что второе искажение оказы­
вает обратное воздейс!вие на код по сравнению с первым искажением;
^2N,p ycu-^^2Hyco''-^2N,p оу
ClN^^y-H»cMKom^bVi)^obii6ma.mvi,m-
торые могут быть искажены при формировании адреса объекта управле­
ния позиционным кодом; pj- вероятность единичного искажения кодо­
вого сигнала, р„рл - вероятность появления неисправности реле. Прини­
мая во внимание, что в соответствии со справочными данными р„р,, = р„р„
= Р2^ 10^, pt= 1(Т^ из (3) имеем PKV^ 3-10'", что на 2 порядка ниже па­
раметров, допускаемых ГОСТ и обеспечиваемых лучшими аншюгами.
При создании устройств ввода дискретных сигналов (УВДС) д;гя кон­
троля состояния распределительных электросетей одними из основных
требований являются: углубленная диагностика рабогоспособности ин­
формационных каналов; регистрация последовательности дискретных
событий, т.е. временных сдвигов между любыми изменениями состоя­
ний контролируемых объектов; сопровождение передаваемой информа­
ции метками времени с дискретносп ью 2,5 -40 мс.
В диссертации предложены структура и алгоритм работы устройства
ввода и обработки дискрешых сигналов состояния РЭС, отвечающие
указанным требованиям. Новизна предложений состоит в совмещении
цепей ввода информации от датчиков с кодером, что позволяет прово-
15
дить динамический контроль работоспособности annapaiypu и способ­
ствует повышению достоверности получаемой информации По анало­
гии с каналом управления, кодирование дискретных сигналов также
двухступенчатое, сочетающее биимпульсный код («прямого» и «ин­
версного» сигнала состояния датчика) и пиклический код Для указанно­
го способа кодирования вероятное 1ь приема ложных дискретных сигаалов составит
Рдс = п,> Pi
стр
+ -^ П/у pl^i, р,
+р^
С1^^^2^аз
С^а1,а2*аз+<,^ >
№
V ""Р J
где п,1 - число датчиков ДС, 4„,р- длигельносгь стробирующего сигнала,
trjnp- период между смежными циклами опроса состояния датчика;
С„
- число возможных комбинаций пар символов в биимпульс-
пом коде; а г разрядное 1ь кода номера датчика, а2 - разрядность кода
первой метки времени события, а^- разрядность кода- состояния датчи­
ка; С^
д - число сочетаний кода, содержащего (01+02+03) - сим­
волов биимпульсного кода и а/ - символов циклического кода; р„„а - ве
роятпость неисправности кодера (декодера). Подс1авляя в (4) среднесгатистические для ИУС и РОС значения параметров, например р; = 10 \
Рн^б = 10*,ft„p 10'*с ; t„„p 1(Г^с;Пй=32, а;-=5, а,= 10, а^ \\ щ- 16, по­
лучим рд( ~ 1 0 " , что зг1ачительно превосходит самые жесткие нормагивные техническим требования, установленные ГОСТ
Используемые в современных информационных системах способы из­
мерения электрических napaMeipoe РЭС, основанные на использовании
промежуточных преобразователей, не позволяют зафиксировать всю ди­
намику процесса измерения, чем значительно снижается их точность.
Разработаны устройство и способ прямых измерений, в которых по1 решности вычисления активной P(t) и реактивной мощностей Q(t)
уменьшаются за счет использования алгоритма, основанного на аппрок­
симации ;-ой выборки фазных токов и напряжений суммой и разнос 1ью
произведений " / - 1 " и "; + 1" выборки соответствующего напряжения (то-
16
ка).
Р(0^
[ \>„UmSm(a)t) nn(a)t+<p+A(p)dt+ \i„u„ nn(cot)sm(mt^(p-^<p)dt] (5)
Q(t)- ~ [ \i,„u^ sin(o)t) sin(a>t+(p+Aip)dt- \i„u„ iin(ojt) 4in{a)t+(p-A(f>)dtJ, (6)
''
0
0
где 0) - круговая частота Л^з - угловой сдвиг между выборками тока (на­
пряжения) ''/+1" и " / - 1 " по отношению к моменту "Г' выборки напряже­
ния (тока); г„, i/„ - амплитудные значения тока и напряжения.
Погрешность аппроксимации Sp - для активной мощности по дис­
кретным отсчетам, определяемая cos Ар, может быть представлена, как
Sp =/- cos А(р ~\ - cos—,
где в- количество дискретных отсчетов
(7)
Разложив в ряд Маклорена
2п:
cos— получим
2л-
Гл-У -
в
[в)
6р==1- cos— ~ 2
-
(8)
Таким образом, при, например, 0>100 погреишосгь измерения акжвной моищости будет составлять йр ~ 0,2% Аналогично рассчитываем
пофешпость для реактивной мощности дд
^е=Л^- s m A p = A 9 , - A p i ^ ^ = ^ j ^ j j
,
(9)
а при ^ 1 0 0 погрешность составит <5у < 0,01%.
В настоящее время основой построения А С К У Э является электрон­
ный счетчик электрической энергии (СЭЭ). Измерение юка и напряже­
ния распределительных электросетей осуществляется с помощью высо­
колинейных трансформаторов тока и резистивных схем масштабирова­
ния напряжения. Далее определяемые величины потребляемой электро­
энергии ВЫЧИСЛЯЮ!ся путем умножения измеренных напряжений и то­
ков .
17
В интегрированных системах первостепенное значение приобретает
разделение каналов по принадлежности к оперативному и неоператив­
ному контуру, так как при введении новых подсистем существенно уве­
личивается интенсивность потока заявок на передачу информации
В разработанной структуре подсистемы АСКУЭ- канал ввода числоимпульсных сигналов эффективно используется для формировании опе­
ративной информации и построения "профиля мощности" в цепях на­
грузки, а канал кодовых сообщений- для итоговых данных по энергопофеблению за определенный период времени с учетом тарифных зон
Исключив оперативные данные из кодовых сообщений от счетчиков,
можно резко сократить общее число передач, благодаря чему создаются
условия для объединения каналов передачи оперативной и коммерче­
ской ин(1)ормации А С К У Э .
В 1регьей главе проведен анализ возможности создания автоматиче­
ской интегрированной информационной системы на основе вероятност­
ных информационных потоков.
Для разработки интегрированных систем с высокими динамическими
характеристиками актуальной является задача достижения эффективно­
го исгюльзованая информационных возможностей каналов связи в усло­
виях ограниченных вычислительных мощностей центров обработки ин­
формации и пропускной способности каналов связи.
Создана вероятностная матема1ическая модель каналов контроля и
управления ( К Н К У ) , позволяющая оценить интенсивность информаци­
онных потоков интегрированных систем. Согласно разработанной моде­
ли вероятность того, что любое сообщение К Н К У будет обслуживаться
без задержки, а в центре обработки информации (110И) УСО не возник­
нет очереди на ei о обслуживание равна
Роос.«1~а, и^^ ^' ^р--.
(10)
1 ле Я/ - интенсивность потока данных К Н К У , Ал - интенсивность по­
тока контрольных данных К Н К У (дублирующие посылки по вызову.
18
сфахуюпще при отсутствии информации из-за неисправности аппарату­
ры или канала связи), г - время передачи одного информационного со­
общения по каналу связи.
Предложены методики расчетов вероятностных информационно- вы­
числительных ресурсов интегрированных систем.
Анализ вероятностных информационных потоков каналов контроля и
управления показал, что в стационарном режиме работы распредели­
тельных электросетей средняя загрузка им ЦОИ - ркниу определяется
следующей формульной зависимостью
y^OKh к/^2 + (^'^Робр ((=} + С, + Cj + 0,5Cj ) + С,\
РКНКУ
,
(П)
где Y - среднестатистическая частота переключений одного объекта;
NoK- среднее число объектов; и „ - число секунд в году; кцои разрядность входных каналов ЦОИ, /;- длительность одного рабочею
laKia ЦОИ ; с/- среднее число гакюв, затрачиваемых на реализацию од­
ной команды процедуры ввода и обработки информации; с;- среднее
число команд, зафачиваемых ЦОИ для обработки информации; Cj , с4 ,
Cj, С5 -среднее число тактов, затрачиваемых на выполнение команд при­
остановки, подготовки, анализа и ввода информационного сообщения,
соо 1 ветственно, с/- число команд программы обработки информации С
учетом требований к информационно-вычислительной мощности ЦОИ,
имеем . кцои = 16, ti = l(T^с, c,=l(f;c2
1&, 0^=04'= Ci= C(,=l(f, ci=l(f ,
p„(,p 0.5, N(M = 200 , « „ ~ 3 lO с/год; }^iOOO год . Подставляя приведен­
ные численные значения в (11), получим ркнку ~ ' 0"^
Для систем управления распределительными электросетями одним из
важнейших показателей эффективности является обслуживание аварий­
ного потока при возникновении нештатных ситуаций
Проведенный
анализ интенсивности аварийного потока КНКУ и способности центра
обрабогки информации по обслуживанию указанного потока показал,
что средняя зафузка ЦОИ аварийным потоком К Н К У равна
P
to;
КНКУ
19
!^OK'i[<:iC2+0,5p„6p(cj+c^+Cs+0,5cy)
+ Cg\
.
^ае'^ЦОИ
(il)
где tae - минимальное время регис фации аварийной ситуации.
Подставляя числовые значения в (12) и принимая t^e^SQ мс, получим
Р '""'КИКУ =^2 5, таким образом, загрузка ЦОИ аварийным потоком К Н К У
оказывается выше 100 % и вычислительных ресурсов ЦОИ недостаточ­
но не только для обработки других видов информации, но и для обслу­
живания только аварийных потоков К Н К У .
Предложен новый способ формирования информационных сообще­
ний аварийного потока канала контроля и управления, основанный на
промежуточном хранении данных аварийной ситуации. В предлагаемом
способе обработки аварийных сообщений вся хронология аварийного
процесса зафиксирована во внутренней буферной памяти устройства
ввода, что позволяет вводить информацию в ЦОИ не в режиме реально­
го времени. Поэюму можно резко снизить требования к скорости ввода
зарегистрированных событий в ЦОИ. Показано, что средняя загрузка
ЦОИ аварийным потоком информации для предложенного способа оп­
ределяется из выражения
Р
ш)
КИКУ
2NoK4Vf2+0,5p^p(c^\c,+c^+0,5c-,)^-c^\
'р.
,
(,!■')
I де 1р, - время задержки завершения ввода информации относительно
завершения регистрации аварийной информации.
Подставляя в (13) числовые значения и, учитывая, что требования ре­
гис фации аварийной информации позволяют установить tp^ = 20 с, по­
лучим р '"'"кнку -0 2, что вполне допустимо. Таким образом благодаря
предложенному способу формирования информационных сообщений
аварийного потока канала контроля и управления загрузка им центра
обработки информации была снижена более, чем в 10 раз.
В предыдущих главах диссертационной работы была научно обосно­
вана необходимость прямых измерений электрических параметров рас-
20
пределительных электросетей и предложены новое устройство и алго­
ритм формирования канала прямых измерений. Разработанное устройст­
во обеспечивает не только прямые измерения параметров, но ч позволя­
ет расширить функциональные возможности систем за счёт снижения
избыточности при передаче аварийной информации.
Средняя за1рузка ЦОИ стационарным потоком канала прямых изме­
рений - ркпи при использовании разработанного устройства составит
kuiknN,j>nti [с,С2 + 0.5pgQ (С; + С^ +С;+
Ркп1Г=
0.5Cj ) + С(;\
7
.('4)
^ КПП'^ ЦОИ
где кц, - число параметров тока и напряжения, вводимых в ЦОИ; Нф„ количество трехфазных присоединений; ^,-число разрядов представле­
ния информации, (кпи -время ввода информационных сообщений канала
прямых измерений в ЦОИ, которое согласно проведенным расче гам, сосшвляег 5,97 с. При подс1ановке в (14) ?/сяи= 5,97 с, кцои= 16, kui=6 (три
фазных тока и три фазных напряжений); Мф„ ^ 50, получим ркпи =:0,48.
Как видно, загрузка цен фа обработки информации У СО становится не­
приемлемо большой с учетом необходимости обработки и других ин­
формационных потоков.
Разработаны алгоритмы обработки данных канала прямых измерений
(КИИ), основанные на разделении информационных потоков па три
временных компоненты ввода сигнала прерывания; ввода информаци­
онного массива; обработки введенного массива данных. Выведено вы­
ражение, когорое с учетом предложенного алгоритма определяет отно­
сительную загрузку центра обрабо1ки информации
потоком канала
прямых измерений- р 'кии
'1[0.3Робр(сз+с,+с^+0,5су)
Р кпи^
+
7
ки,кМф„(с^+с,С2)\
—^
(15)
^кпи '^цои
Подставляя числовые значение в (15), получаем: р 'кпи~0,4
Рассмотрим
интенсивность потока аварийной информации канала
прямых измерений при использовании разработанного устройства Для
регистрации аварийных значений сигналов вполне достаточна погреш-
21
ность представления величин токов и напряжений « 1 % , что позволяет
перейти от 12-ти разрядных кодов к^ к 8-ми разрядным кодам к^/. Тогда
относительная величина зафузки ЦОИ аварийным потоком К П И опре­
деляется следующим выражением
Р
,ае,
_l<^Ujl',l'^.pJl[cjC2+0.5p^/Cj+C,+C^+0,5Cj)
КПИ
T ^ ^ W l
+ C,\
'
^ ^^
где Nijr- количество измеряемых параметров; ^-количество отсчетов
измеряемых параметров; /""^и^л
- время цикла ввода аварийных пара­
метров. Исходя из характеристик разработанного устройства: I'^um
=2-10^ с, в- 128, N,ji= 32 , с учетом ранее заданных числовых значений,
получим р''"'кпи ^ , 2 4 .
С учетом разработанного алгоритма относительная загрузка ЦОИ
аварийным потоком канала прямых измерений- р'""' кии определяется
выражением
Р
ш)
кии
h[0.5p„6p(c3 +c^-\-Cs +0,5су) + ка1к^1Мф„(с, + cf^A
J-^W~k
,, _.
Подставляя числовые значение в (17), получаем: /J'™^ КПИ ^ Д Таким
образом, благодаря предложенным принципам построения устройства
прямых измерений, а также алгоритму ввода и обработки информации в
ЦОИ, ei о загрузка стационарным и авариЙ1гым потоком канала прямых
измерений снижается примерно на 20%.
Как отмечалось выше, информационный поток подсистемы А С К У Э
интегрированной системы, складывается из двух компонентов, получен­
ных по каналам числоимпульсных и кодовых сигналов. Используя мето­
дику, примененную при анализе других видов потоков, можно опреде­
ли гь среднюю загрузку ЦОИ данными канала учета электроэнергии из
выражения
т]]к^куц
т}2кк nj,[с,с,
-ь 0.5р^р(сз +с^+С;+ 0,3с,; + с J '
'^цои
(18)
22
где к^- разрядность накопителей числа импульсов; к„- число числоимпульсных каналов одного счетчика; к„- число разрядов кодовой посылки;
?7; и щг- коэффициенты использования производительности канала числоимпульсных и кодовых сигналов соответственно, п^ч - общее количе­
ство счетчиков электроэнергии; /^ и г, - времена обработки числоимпульсных и кодовых данных w^, счетчиков соответственно. Согласно
проведенным в работе численным расчетам имеем и^, ^32; /, = 2,02 с; /,
=490c;yt, = I6;;t„-4;;t, -=3200; т/, = 0,11; 7' = 0,16. Тогда p^-j ? - O i l .
Обобщая полученные результаты, выразим среднюю загрузку центра
обработки интегрированной системы, включающей каналы контроля и
управления, прямых измерений и коммерческого учета электроэнерг ии с
возможностью обработки информационных coo6uieiiHH в стационарном
и аварийном режиме работы распределительных электросетей - /з„„„ иу1
Ринт ИУС
РКНКУ +/?
КИКУ ^Р КПП
+р'""кш1^рк,'>'=0,91.
(19)
Таким образом загрузка центра обработки информации суммарным
информационным потоком не достигает 100 % , что 1юдтверждает воз­
можность его использования для обслуживания любого информацион­
ного канала интефированной системы практически без задержки Про­
веденный вероятностный анализ информационных потоков позвотит
1еоретически обосновать возможность создания автоматической интег­
рированной информационной системы с функциями контроля, управле­
ния, прямых измерений параметров и коммерческого учета энергопофебления в распределительных электросетях.
В четвертой главе представлены результагы экспериментальных ис­
следований и испытаний автоматических устройств интефированных
информационных систем
Разработана экспериментальная аппаратура и алгоритм проверки ос­
новных технических характеристик интефированной системы. Испыта­
ния проводились на экспериментальной аппаратуре в нормальных усло­
виях эксплуатации системы, а также при имитации основных факторов,
влияющих на эффективность информагшонных обменов: затухания ра-
23
бочих сигналов в каналах связи; мешающего действия помех в каналах
связи и цепях связи УСО с датчиками и исполнительными устройства­
ми. Предложена методика ускоренной экспериментальной проверки
достоверности каналов управления и контроля состояния распредели­
тельных электросетей.
Экспериментально установлено, что вероятность выполнения ложной
команды управления, составляет порядка 9-10' , а вероятность приема
ложных сигналов контроля - 9-10"", что как минимум на 2 порядка ни­
же требований ГОСТ и обеспечиваемых лучшими аналогами.
Проведена экспериментальная проверка достоверности каналов кон­
троля и управления в зависимости от уровня помех. На рис. 1 представ­
лены данные эксперимента по проверке достоверности канала управле­
ния.
Рис 1 Экспериментальная зависимость вероятности выполнения лож­
ной К У - Р,,ож11 ку от соотношения сигнал/шум - е при имитации помех :
1- в цепях связи с исполнительными устройствами; 2- в канале связи.
На рисунке 2 представлены дан1гые эксперимента по проверке досто­
верности канала контроля состояния распределительных электросетей.
Результаты экспериментальных исследований показали, что в услови­
ях сильного воздействия помех (при соотношении сигнал/шум 3/1-7/1)
вероятность вывода ложной команды управления составляет ~10 " и
24
приема ложных дискретных сигналов ~ 10'
соответственно
10" - 10'
( при требованиях ГСЮТ
и 10' - 10" для соотношении сигнал/шум не
менее 8/1).
Проведена экспериментальная проверка точности устройства прямых
и'?мерений, результаты которой показали, что относительная приведен­
ная погрешность измерения силы тока и напряжения составляет 0,3 % ,
что как минимум в 2-5 раза ниже погрешности при традиционных спо­
собах измерений.
'JKXWH JJC
Рис 2 Экспериментальная зависимость вероятности приема ложных
ДС - Р,ожи ДС 01 соотношения сигнал/п1ум
si при имитации помех: 1- в
цепях связи с датчиками; 2- в канале связи.
В заключении приведены основные теоретические и практические ре­
зультаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы
В приложениях
представлены документы о внедрении результатов
диссер рационной работы и фрагмент программного обеспечения для
проверки работоспособности функциональных модулей.
Основные результаты работы
В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие
основные результаты :
1.
Исследованы и разработаны новые автоматические устройства
управления, контроля, прямых измерений, коммерческого учета элек-
25
троэнергии, алгоритмы и способы информационных обменов в автома­
тических интегрированных информационных системах для распредели­
тельных электросетей
2.
Создана вероятностная математическая модель и методики вы­
числения интенсивности потоков в каналах контроля и управления и ве­
роятностных информационно-вычислительных ресурсов интегрирован­
ных систем.
3.
Исследован и разработан способ прямых измерений электрических
параметров распределительных электросетей, основанный на аппрокси­
мации выборки фазных токов и напряжений, обеспечиваюи(ий сущест­
венное снижение погрешности измерений.
4
Предложены способы двухступенчатого кодирования сигналов в
каналах контроля и управления, вычисления уровня достоверности, оп­
ределяемого вероятностью выполнения ложной команды управления
-310 "' и приема ложного сигнала контроля -10'", что на 2 порядка ни­
же параметров, допускаемых ГОСТ и обеспечиваемых лучшими анало­
гами.
5.
Разработаны устройство управления и способ формирования его
команд, которые за счет рационального выбора структуры управляющих
ключей и способов кодирования обеспечивают уменьшение общей ин­
формационной длины команд управления более чем в 2 раза.
6.
Предложены новые способы формирования информационных со­
общений для каналов контроля, управления и прямых измерений , обес­
печивающие снижение зафузки вычислительного центра обработки ин­
формации аварийным потоком канала контроля и управления в 10 раз и
канала прямых измерений на 20%.
7
Проведен
анализ
интегрированных
авгоматической
интенсивности
систем
и
информационных
доказана
интегрированной
возможность
информационной
потоков
создания
системы
с
функциями контроля, управления и прямых измерений параметров
распределительных
электросетей,
а
также
коммерческого
учета
26
тросе гей, а также коммерческого учета электроэнергии Разработана
обобщенная функциональная схема интегрированной системы
8
Разработаны экспериментальные методики и проведены испыта­
ния , на основе которых практически подтвержде1го повышение досто­
верности сигналов контроля и команд управления на 2 порядка и сниже­
ние пофешности прямых измерений в 2-5 раз
9
Результаты работы внедрены: Управлением эксплуатации Всерос­
сийского выставочного центра России в систему диспетчерского управ­
ления энергообъектами В В Ц ; в НИР X" ГТ 01200207913 (Шифр "405ГБ-53-Б-УИС " за 2004 г ) и № ГР01200303878 (Шифр " 494-ГБ-53-ГрНИЛУИС" 2004 г.) ; учебный процесс в Московском государственном
институте злектронной техники (техническом университете).
Результаты диссертации опубликованы в следующих
основных работах
1. Абрамов А Ю . , Якунин А.И , Цифровые счетчики электрической
энер1ии// Электроника и Информатика-ХХ1 век- III Международная науч-техн конференциия. Тез докл - М . ' М И Э Т , 2000 - С 285-286
2
Якунин А.Н. Абрамов А.Ю.,
Применение стандарта 1ЕЕЕг 1149 1
1990 (JTAG) для отладки специализированных вычислительных уст­
ройств// Олектроника и Информат ика-ХХ1 век: III Международная науч -техн конференциия' Тез. докл.- М ■ МИЭТ, 2000 - С. 372-373.
3
Н Д Дубовой, Е.М. Портной, А.Ю. Абрамов, Организация каналов
коммерческого учета электроэнергии в интефированной АСУ ТП.- Обо­
ронный комплекс- научно-1ехническому прогрессу России- Межотр. науч.-гехн журнал/ВИМИ.-М., 2005.-№3.- С.64-66.
4
Абрамов А Ю , Повышение эффективности обменов данными в
информационно-управляющих системах с функциями прямых измере1гий электрических параметров и учета потребления элекфоэнергии Оборонный комплекс- научно-техническому прогрессу России- Межотр
науч -техн журнал/ВИМИ -М., 2005 -НоЛ -С. 106-109
5
Абрамов А Ю , Устройство формирования команд управления гго-
27
вытпенной достоверности- Оборонный комплекс- научно-техническому
прогрессу России' Межотр. науч-техн журнал/ВИМИ.-М., 2005-Х»4С.82-88
6
Абрамов А Ю., Интегрированные информационно-управляющие
системы с функцией учета потребления энергоресурсов// Микроэлек­
троника и информатика-2005' Всероссийская межвузовская науч-техн
конференция студентов и аспирантов- Теч докл -М.' МИЭТ. 2005 С.249.
7
Абрамов А.Ю , Дубовой Н.Д., Портнов Е М., Концепция реализа­
ции коммерческого учега электроэнергии в составе многофункциональ­
ной информационно-управляющей
системы для распределительных
3j)eKTpoceTeft// Известия ВУЗов. Электроника.-М.,2005.-№4-5 -С.168-172
8. Абрамов А Ю., Поргнов Е.М., Способ организации канала прямых
измерений параметров распределительных электросетей// Известия В У ­
Зов. Электроника.-М.,2005.
9. Абрамов А Ю , Интегрированные информационно-управляющие
сис!емы для распределительных электросетей
и учета потребления
электроэнергии//Естественные и технические науки.- М , 2005-Х"3.С 162-163.
10. Абрамов А Ю , Интегральный показатель эффективности инфор­
мационно-управляющих систем//Естественные и технические науки М.,2005-Х23.-С.151-152
11 Абрамов А.Ю , Технико-экономические аспекты создания автома1изированных систем коммерческого учета электроэнергии/ЛТехника и
технология.- М., 2005.-№4.-С.32-34.
12. Абрамов Л.Ю., Принципы построения устройств контроля состоя­
ния распределительных электросетей повышенной достоверности// Тех­
ника и технология.- М , 2005 -№4 -С 29-31
Подписано в печать:
Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л.^^'. Тиражу* О экз. Заказ ^ . ^
Отпечатано в типофафии ИПКМИЭТ.
124498, Москва, г.Зеленофад, проезд4806, д.5, стр1, МИЭТ.
РНБ Русский фонд
2006-4
22670
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
968 Кб
Теги
bd000102547
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа