Информационно-измерительная система контроля электрических параметров гидрогенератора
На правах рукописи
КАМЫШНИКОВА Анна Николаевна
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ГИДРОГЕНЕРАТОРА
| Специальность: | 05.11.16 – | Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность) |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара – 2012
Работа выполнена на кафедре "Информационно-измерительная техника" ФГБОУ ВПО "Самарский государственный технический университет"
| Научный руководитель: | Доктор технических наук, доцент Мелентьев Владимир Сергеевич |
| Официальные оппоненты: | Орлов Сергей Павлович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Самарский государственный технический университет" заведующий кафедрой "Вычислительная техника" |
| Занозин Илья Юрьевич кандидат технических наук, ОАО "Средневолжский Научно-Исследовательский Институт по нефтепереработке", г. Новокуйбышевск, главный метролог, заведующий отделом метрологии | |
| Ведущая организация: | ФГОБУ ВПО "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики", г. Самара |
Защита состоится ____ апреля 2012 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ФГБОУ ВПО "Самарский государственный технический университет" (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, 6 корпус, ауд. 33.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18.
Автореферат разослан «___» 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д212.217.03 Н.Г. Губанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Развитие электроэнергетики страны связано как с внедрением новых типов и улучшением характеристик существующего энергетического оборудования, служащего для производства, передачи, распределения и использования электроэнергии, так и с разработкой и практическим применением новых систем управления, автоматического регулирования, оперативного контроля их параметров с улучшенными характеристиками.
Разработка и использование новых средств измерительной техники, обладающих высокими метрологическими характеристиками и функциональными возможностями, открывает новые перспективы для повышения надежности эксплуатации энергетического оборудования, что позволяет поддерживать бесперебойное энергоснабжение потребителей, обеспечивать необходимое качество электроэнергии, максимальную экономичность производства, передачи и распределения электроэнергии.
В настоящее время около 15% всей производимой электроэнергии приходится на долю гидроэлектростанций (ГЭС). ГЭС является энергообъектом повышенной сложности и высококачественное ведение технологического процесса здесь возможно только с использованием АСУ ТП.
Одним из основных элементов гидроагрегатов ГЭС является гидрогенератор - генератор электрического тока, приводимый во вращение гидротурбиной.
Большое число измеряемых и контролируемых параметров гидрогенератора требует создания информационно-измерительных систем (ИИС) его электрических параметров, комплексно решающих задачу многоканального и многофункционального измерения основных электрических параметров с высокой точностью и быстродействием, а также осуществляющих предупредительную сигнализацию при выходе параметров за допустимые пределы и передачу информации в АСУ ТП.
Контролируемыми электрическими параметрами гидрогенератора являются среднеквадратические значения напряжения и тока, активная и реактивная мощности, которые принято называть интегральными характеристиками периодических сигналов (ИХПС), а также постоянные напряжение и ток.
В создании теоретических основ построения и практической реализации средств измерения ИХПС большой вклад внесли отечественные ученые Волгин В.Л., Зыкин Ф.А., Кизилов В.У., Куликовский К.Л., Батищев В.И., Мелентьев В.С., Орнатский П.П., Попов В.С., Туз Ю.М., Шахов Э.К., Шляндин В.М. и др.
Однако особенности измерения электрических параметров гидрогенератора, особенно при работе в режимах синхронных компенсаторов реактивной мощности и длительных несимметричных нагрузок, предъявляют повышенные требования к точности и широкополосности средств измерений, а выявление моментов выхода параметров за допустимые пределы требует сокращения времени измерения.
Так как измерительные сигналы в цепях гидрогенератора характеризуются незначительными искажениями формы, то для измерения их параметров с высокой точностью и быстродействием могут быть использованы аппроксимационные методы и системы измерения интегральных характеристик гармонических сигналов. Привлечение аппроксимационного подхода дает возможность системного объединения через математическую модель априорной информации структур и характеристик средств и методов измерения, а также их метрологического анализа.
Привлечение априорной информации о форме сигнала позволяет заменить интегральные преобразования арифметическими операциями с точечными оценками, что дает возможность существенного сокращения времени обработки измерительной информации.
Таким образом, актуальной является задача разработки аппроксимационных методов и систем контроля электрических параметров гидрогенератора в различных режимах работы с высокими метрологическими характеристиками.
Работа выполнялась в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 11-08-00039 «Методология синтеза и анализа оптимальных аппроксимационных методов и систем измерения параметров квазидетерминированных сигналов»; госбюджетной фундаментальной НИР «Создание методологических основ синтеза и анализа аппроксимационных методов и систем измерения и контроля параметров квазидетерменированных сигналов» (№ госрегистрации 01200951715); хоздоговорный НИР № 243/05 "Разработка и изготовление информационно-измерительной системы электрических параметров силовых трансформаторов (при приемо-сдаточных испытаниях)" (дополнительное соглашение № 5).
Целью работы является разработка и исследование аппроксимационных методов измерения ИХПС и создание на их основе информационно-измерительной системы электрических параметров гидрогенераторов с высокими метрологическими характеристиками, позволяющий автоматизировать процесс контроля параметров.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
- анализ характеристик гидрогенератора в нормальном и аварийном режимах работы;
- анализ электрических параметров гидрогенератора в нормальном режиме, в режимах синхронных компенсаторов реактивной мощности и длительных несимметричных нагрузок и формирование требований к разрабатываемым методам и средствам измерений;
- анализ существующих аппроксимационных методов и систем измерения ИХПС;
- разработка новых аппроксимационных методов и средств измерения (СИ) интегральных характеристик гармонических сигналов (ИХГС) с высокими метрологическими характеристиками;
- анализ погрешностей разработанных методов и средств измерения ИХГС;
- разработка алгоритмического и программного обеспечения ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов;
- разработка и внедрение ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов;
- экспериментальное исследование ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов в различных режимах работы.
Основные методы научных исследований. В работе использованы положения теории измерений, численного анализа, теории электрических цепей и сигналов, методов цифровой обработки сигналов, методов аналитического и имитационного моделирования.
Научная новизна. Полученные в диссертационной работе результаты расширяют и углубляют теоретические представления в области создания методов и СИ интегральных характеристик сигналов и построения ИИС электрических параметров гидрогенераторов. В диссертации получены следующие основные результаты:
1. Новый метод определения интегральных характеристик по мгновенным значениям гармонических сигналов, равноотстоящих от перехода одного из сигналов через ноль, в котором в отличие от методов, обеспечивающих начало измерения в произвольный момент времени, не требуется дополнительного анализа мгновенных значений сигналов. Это позволяет увеличить точность и сократить время определения интегральных характеристик.
2. Новый метод определения интегральных характеристик по мгновенным значениям гармонических сигналов, сдвинутым в пространстве, отличающийся от известных методов, использующих формирование дополнительных сигналов тем, что при его реализации используются переходы сигналов через ноль. Это позволяет исключить частотную погрешность и погрешность, обусловленную отличием углов сдвига фаз фазосдвигающих блоков в каналах напряжения и тока.
3. Методика анализа погрешности разработанных методов, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели, которая позволяет оптимально выбирать параметры измерительного процесса с точки зрения точности и времени измерения.
4. Методика анализа влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения интегральных характеристик гармонических сигналов, которая обеспечивает возможность разработки высокоточных и эффективных средств измерения, реализующих предложенные методы.
5. Структурная схема ИИС электрических параметров гидрогенераторов с высокими метрологическими характеристиками, позволяющей автоматизировать процесс контроля параметров в различных режимах работы гидрогенератора, реализующая разработанные методы определения интегральных характеристик гармонических сигналов, а также ее алгоритмическое и программное обеспечение.
Практическая ценность.
1. Разработана методика и получены аналитические выражения для расчета погрешности измерения основных интегральных характеристик, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели, позволяющие оптимально выбирать параметры измерительного процесса.
2. Разработана методика и получены аналитические выражения для оценки влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения ИХГС, что обеспечивает возможность создания высокоточных и эффективных средств измерения.
3. Разработанная ИИС обеспечивает высокое быстродействие процесса измерения и позволяет автоматизировать процесс контроля параметров при различных режимах работы гидрогенератора.
4. Разработана методика и получены аналитические выражения для инженерного расчета метрологических характеристик разработанной системы.
Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение при разработке и внедрении ИИС электрических параметров гидроагрегата в филиале ОАО «РусГидро» — «Жигулевская ГЭС» и ИИС электрических параметров силовых трансформаторов (при приемо-сдаточных испытаниях) в ООО «Тольяттинский трансформатор» (г. Тольятти). Разработанные методики оценки погрешностей внедрены в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 200106 - "Информационно-измерительная техника и технологии".
Апробация работы. Разделы и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 международных и Всероссийских конференциях, в том числе на Всероссийской межвузовской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2006 г.), IV и V международных научно-технических конференциях «Современные информационные технологии» (Пенза, 2006 г., 2007 г.), V международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007 г.), I Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы информационной безопасности при противодействии криминалу и терроризму. Теория и практика использования аппаратно-программных средств» (Самара, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009 г.), VIII и IХ Всероссийских межвузовских научно-практических конференциях «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2009 г., 2010 г.), международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2010)» (Самара, 2010 г.), VII Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2010 г.), международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации. Шляндинские чтения – 2010» (Пенза, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 97 наименований, общим объемом 176 страниц печатного текста и 4 приложений на 20 страницах.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Методы определения интегральных характеристик по мгновенным значениям гармонических сигналов.
2. Результаты анализа погрешности разработанных методов, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели.
3. Результаты оценки влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения интегральных характеристик гармонических сигналов.
4. Структурная схема ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов и результаты ее метрологического анализа.
5. Алгоритмическое и программное обеспечение информационно-измерительной системы контроля электрических параметров гидрогенераторов.
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 приведены основные технические характеристики Жигулевской ГЭС. Проведен анализ технических характеристик гидрогенератора (ГГ) и его контролируемых параметров. Рассмотрены особенности использования длительных несимметричных нагрузочных режимов генератора и его работы в режиме синхронного компенсатора реактивной мощности. Исследованы электрические сигналы в контролируемых цепях. Сформулированы требования к техническим характеристикам ИИС.
В соответствии с государственным стандартом и правилами технической эксплуатации ГЭС и сетей необходимо контролировать электрические, гидромеханические, термодинамические и дискретные параметры гидроагрегата.
Доказано, что информационные сигналы в нормальном режиме работы ГГ имеют форму, близкую к гармонической. Экспериментальный анализ показал, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения составляет менее 0,5%. При этом коэффициент мощности превышает 0,8.
Установлено, что в ряде случаев для поддержания необходимого уровня напряжения в энергосистеме целесообразно использовать генераторы в качестве синхронных компенсаторов. Генераторы чаще работают в режиме перевозбужденного синхронного компенсатора с выдачей реактивной мощности в сеть, когда потребители находятся вблизи электростанции. В часы наименьших нагрузок, а также в тех случаях, когда электростанция связана с потребителями длинными линиями электропередачи, возникает необходимость использования генератора в режиме недовозбужденного синхронного компенсатора с потреблением реактивной мощности из сети.
Установлено, что несимметрия трехфазной системы напряжений может возникнуть не только а аварийных ситуациях – при обрыве или отключении одной фазы, но и в нормальных режимах – при наличии мощных единичных нагрузок, при неравномерном распределении по фазам массовых однофазных электроприемников, при несимметрии параметров элементов сети. При несимметричном режиме ухудшаются условия работы как самих электроприемников, так и всех элементов сети: снижаются экономичность оборудования, уменьшается пропускная способность сети, увеличиваются потери электроэнергии.
Доказано, что разрабатываемая ИИС должна обеспечивать высокую точность измерения с погрешностью не более 0,2% при измерении среднеквадратических значений (СКЗ) тока (напряжения) и не более 0,5% при измерении активной (АМ) и реактивной (РМ) мощности.
Во второй главе рассматриваются известные подходы к измерению ИХПС. Анализируется возможность использования аппроксимационного подхода к измерению ИХПС и исследуются существующие аппроксимационные методы и средства измерения ИХГС.
Показано, что принципиальным недостатком аналоговых методов и средств измерения ИХПС являются низкое быстродействие и возможность определения только одного параметра.
В настоящее время при определении ИХПС наибольшее распространение получили цифровые методы, основанные на аналого-цифровом преобразовании мгновенных значений сигналов, равномерно распределенных по периоду.
Установлено, что при определении ИХПС с помощью данных методов изначально считается, что отсчеты сигналов равномерно распределены по периоду, т.е. период точно поделен на m интервалов дискретизации. В реальных ситуациях это условие не выполняется, что неизбежно приводит к погрешности. Очевидно, что данный вид погрешности обусловлен, в первую очередь, колебаниями частоты входного сигнала, а также неточным делением периода на m.
Наиболее простую реализацию рассматриваемые методы обеспечивают при измерении ИХГС. Однако использование данных методов для определения ИХГС по мгновенным значениям сигналов не может существенно сократить время измерения, поскольку методы предусматривают равномерное распределение отсчетов по периоду сигнала и точное определение значения периода, т.е. время измерения зависит от периода сигнала.
Возникает задача сокращения времени измерения ИХГС и построения СИ, обеспечивающих возможность определения этих параметров путем обработки мгновенных значений сигналов за время, меньшее периода входного сигнала.
Доказано, что существуют задачи измерения, контроля и испытаний, в которых вид сигнала строго обусловлен физическими законами исследуемых явлений, а погрешности измерений пренебрежимо малы. К таким сигналам, в частности, относятся периодические сигналы.
Для выполнения требований к оперативности контроля и испытаний необходимо обеспечить высокое быстродействие измерительных процедур.
Установлено, что одним из путей решения данной задачи является привлечение априорной информации о модели объекта или измерительного сигнала для определения его информативных параметров.
Показано, что привлечение априорной информации о форме сигнала позволяет заменить интегральные преобразования арифметическими операциями с точечными оценками, что дает возможность существенного сокращения времени обработки измерительной информации.
В основу разработанной классификации аппроксимационных методов измерения ИХГС положено временное и пространственное разделение мгновенных значений сигналов, а также связь измеряемых мгновенных значений с характерными точками сигнала. На рисунке 1 приведена классификация основных методов определения интегральных характеристик по отдельным мгновенным значениям гармонических сигналов.
В результате исследования данных методов установлено:
- первый метод определения ИХГС по одному мгновенному значению тока и двум мгновенным значениям напряжения, связанным с переходами через ноль, обеспечивает малое время измерения только при малых углах сдвига фаз между напряжением и током;
- второй метод определения ИХГС по трем мгновенным значениям напряжения и тока, взятым через образцовый интервал времени и связанным с переходами через ноль, позволяет сократить время измерения даже при больших значениях угла сдвига фаз между напряжением и током, однако также требует определения переходов через ноль сигналов и напряжения и тока;
- в общем случае сократить время измерения по сравнению с первыми двумя методами позволяет третий метод определения ИХГС по двум мгновенным значениям ортогональных составляющих напряжения и мгновенному значению тока, связанным с переходами через ноль. Недостатком СИ, реализующих данный метод следует считать частотную погрешность определения ИХГС из-за отклонений угла сдвига фазы фазосдвигающего блока (ФСБ);
- четвертый метод определения ИХГС по трем мгновенным значениям напряжения и тока, равноотстоящим друг от друга, первые из которых взяты в произвольный момент времени, обеспечивает возможность измерения параметров за долю периода, однако метод имеет ряд ограничений, связанных с анализом мгновенных значений сигналов на ноль и измерением при необходимости дополнительных мгновенных значений. В данном методе время измерения не зависит от момента начала измерения, угла сдвига фаз между напряжением и током и периода сигнала;
- пятый метод определения ИХГС по двум одновременно измеренным мгновенным значениям ортогональных составляющих напряжения и тока обеспечивает минимальное время измерения, однако при реализации метода возникает частотная погрешность ФСБ. В данном методе время измерения также не зависит от момента начала измерения, угла сдвига фаз между напряжением и током и периода сигнала. Кроме того, реализация метода не предусматривает использование образцовых интервалов времени;
- шестой метод определения ИХГС по трем, одновременно измеренным, мгновенным значениям напряжения и тока, сдвинутым в пространстве, исключает влияние частотной погрешности фазосдвигающих блоков и обеспечивает минимальное время измерения, однако метод имеет ряд ограничений, связанных с анализом мгновенных значений сигналов на ноль и проведением, при необходимости, дополнительных измерений. Если углы сдвига фаз ФСБ отличаются друг от друга, то это неизбежно приводит к погрешности измерения.
Установлено, что одной из основных проблем аппроксимационного подхода является анализ точности измерения. В общем случае качество решения аппроксимационной задачи оценивается некоторой результирующей погрешностью, включающей в себя все составляющие, определяющие несоответствие модели и моделируемой зависимости.
Для сравнения методов с точки зрения точности измерения был проведен анализ влияния составляющих погрешности, обусловленных отклонением реального сигнала от гармонической модели, на погрешность результата измерения интегральных характеристик.
Для этого была использована методика определения погрешности измерения интегральной характеристики как функции, аргументы которой заданы приближенно с погрешностью, соответствующей отклонению модели от реального сигнала.
Для первого метода графики зависимости относительных погрешностей определения СКЗ напряжения U и тока I и приведенной погрешности определения АМ 
и РМ 
от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока 1 при наличии в сигналах первой и пятой гармоник с коэффициентами 
приведены на рисунках 2 и 3.
Установлено, что погрешности определения интегральных характеристик существенно зависят от угла сдвига фаз 1 и при малых значениях 1 очень велики, что не позволяет использовать данный метод при измерении электрических параметров гидрогенератора в нормальном режиме работы.
Для шестого метода графики зависимости относительных погрешностей определения СКЗ напряжения и тока СКЗ2 от начальной фазы сигналов 1 и угла сдвига фаз ФСБ приведены на рисунке 4. Графики зависимости приведенной погрешности определения АМ 
от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока 1 и приведены на рисунке 5 (при 
).
Установлено, что погрешности определения интегральных характеристик также существенно зависят от угла сдвига фаз 1 и при значениях 1, близких к 90, очень велики, что не позволяет использовать данный метод при измерении электрических параметров гидрогенератора в режиме работы синхронного компенсатора. Доказано, что погрешность измерения можно существенно снизить за счет соответствующего выбора угла сдвига фаз ФСБ.
В третьей главе исследуются разработанные методы и системы измерения ИХГС, приводятся результаты анализа влияния погрешности, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели на погрешность результата измерения интегральных характеристик. Проведена оценка влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения ИХГС.
Доказано, что исключение влияния частотной погрешности фазосдвигающего блока и погрешности, обусловленной отличием углов сдвига фаз ФСБ, обеспечивает разработанный метод определения ИХГС по трем мгновенным значениям напряжения и тока. Причем в момент перехода сигнала напряжения через ноль измеряют первое и, сдвинутое относительно него на угол, второе мгновенные значения тока, а также первое мгновенное значение напряжения, сдвинутое относительно перехода через ноль также на угол ; в момент перехода сигнала тока через ноль измеряют второе и, сдвинутое относительно него на угол, третье мгновенные значения напряжения, а также третье мгновенное значение тока, сдвинутое относительно перехода через ноль на угол.
Для данного метода мгновенные значения в соответствующие моменты времени равны: 
; 
; 
; 
; 
; 
,
где 
и 
- амплитудные значения напряжения и тока; - угол сдвига фаз между напряжением и током.
Основные ИХГС определяются согласно выражениям:
- среднеквадратические значения напряжения и тока
; 
;
- активная и реактивная мощности
; 
.
Установлено, что разработанный метод обеспечивает время измерения 
, где 
tH - промежуток времени с момента начала измерения до момента перехода сигнала напряжения через ноль; - угловая частота входного сигнала.
На основе анализа выражений для определения основных интегральных характеристик доказано, что, если фазовые сдвиги ФСБ отличаются друг от друга, то это не приводит к погрешности определения ИХГС.
В соответствии с методикой определения погрешности измерения интегральной характеристики как функции, аргументы которой заданы приближенно с погрешностью, соответствующей отклонению модели от реального сигнала определены относительные погрешности измерения СКЗ напряжения (тока) и приведенные погрешности измерения АМ и РМ:
;
;
,
где 
, 
, 
, 
, 
и 
- абсолютные погрешности аргументов соответствующие наибольшим отклонениям мгновенных значений сигналов напряжения и тока в соответствующие моменты времени.
Для данного метода графики зависимости относительных погрешностей определения СКЗ напряжения (тока) U3 и приведенной погрешности определения АМ 
от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока 1 и угла сдвига фаз ФСБ при наличии в сигналах первой и пятой гармоник с коэффициентами 
приведены на рисунках 6 и 7.
Установлено, что погрешности определения интегральных характеристик также существенно зависят от угла сдвига фаз 1. Однако погрешность измерения СКЗ сигналов и РМ можно существенно снизить за счет соответствующего выбора угла сдвига фаз ФСБ. Погрешность измерения АМ при малых углах сдвига фаз 1 достаточно велика, что не позволяет использовать данный метод при измерении электрических параметров гидрогенератора в нормальном режиме работы.
Установлено, что в аппроксимационных методах определения характеристик сигналов используется измерение мгновенных значений сигналов с последующей обработкой пропорциональных им цифровых кодов. Использование в цифровых методах и средствах измерения квантования по уровню неизбежно приводит к погрешности квантования.
Для оценки влияния квантования на погрешность результата определения ИХГС была использована ранее рассмотренная методика определения погрешности измерения интегральной характеристики как функции, аргументы которой заданы приближенно с погрешностью, соответствующей погрешности квантования.
Если считать, что при амплитудных значениях напряжения 
и тока 
мгновенные значения напряжения 
, 
, 
измеряются с погрешностью аналого-цифрового преобразования и предельные абсолютные погрешности измерений соответствуют 
, а мгновенные значения напряжения, пропорциональные 
, 
, 
, измеряются с погрешностью аналого-цифрового преобразования и предельные абсолютные погрешности измерений соответствуют 
, то предельные относительные погрешности вычисления СКЗ напряжения (тока) и приведенные погрешности вычисления АМ и РМ имеют вид (где n – разрядность аналого-цифровых преобразователей):
;
;
.
Анализ данных выражений показывает, что определение ИХГС согласно данному методу производится с погрешностью, величина которой зависит от угла сдвига фаз между напряжением и током и от угла сдвига фаз ФСБ. Степень влияния погрешности квантования на погрешность результата определения интегральных характеристик уменьшается при увеличении 
.
Установлено, что наиболее эффективным средством сокращения данного вида погрешности является увеличение разрядности аналого-цифровых преобразователей.
Большинство из известных методов измерения ИХГС предусматривают выявление и использование переходов через ноль сигналов напряжения и тока. Реализация следующего разработанного метода предполагает определение перехода через ноль только одного сигнала, что позволяет значительно сократить время измерения при больших значениях угла сдвига фаз между напряжением и током.
Метод основан на определении ИХГС по двум мгновенным значениям напряжения и тока. Причем первое мгновенное значение тока взято в момент перехода через ноль сигнала напряжения; первое мгновенное значение напряжения и второе мгновенное значение тока измерены через образцовый интервал времени t с момента этого перехода; второе мгновенное значение напряжения взято через такой же интервал времени t с момента измерения первого мгновенного значения напряжения.
Для данного метода мгновенные значения сигналов в соответствующие моменты времени равны: 
; 
; 
; 
.
Выражения для определения основных ИХГС имеют следующий вид:
; 
; 
; 
.
Установлено, что разработанный метод обеспечивает время измерения 
, которое не зависит от угла сдвига фаз между напряжением и током.
В соответствии с рассмотренной ранее методикой определены относительные погрешности измерения СКЗ напряжения и тока и приведенные погрешности измерения АМ и РМ, обусловленные отклонением реального сигнала от гармонической модели:
;
;
;
.
Для данного метода графики зависимости относительной погрешности определения СКЗ напряжения U4 от интервала дискретизации t и приведенной погрешности определения АМ 
от угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока 1 и t при наличии в сигналах первой и пятой гармоник с коэффициентами 
в случае, когда абсолютные погрешности аргументов определяются наибольшими отклонениями мгновенных значений сигналов напряжения и тока в соответствующие моменты времени, приведены на рисунках 8 и 9.
Установлено, что погрешности определения интегральных характеристик (кроме СКЗ напряжения) также существенно зависят от угла сдвига фаз 1. При этом погрешность измерения СКЗ тока, АМ и РМ можно существенно снизить за счет соответствующего выбора интервала дискретизации t. Погрешность измерения интегральных характеристик для углов сдвига фаз 1, близких к нулю, мала, что позволяет использовать данный метод при измерении электрических параметров гидрогенератора в нормальном режиме работы.
Доказано, что погрешность можно существенно снизить за счет выбора интервала дискретизации t, близкого к 90.
Установлено, что предельные относительные погрешности вычисления СКЗ напряжения и тока и приведенные погрешности вычисления АМ и РМ с учетом погрешности квантования имеют вид:
;
;
;
.
В четвертой главе рассмотрена структурная схема АСУ ТП ГЭС, производится синтез ИИС электрических параметров гидрогенератора, разрабатывается программное обеспечение системы, приводятся результаты метрологического анализа и экспериментального исследования системы.
Установлено, что АСУ ТП Жигулевской ГЭС строится по иерархической двухуровневой структуре. На нижнем уровне находятся системы управления технологическим процессом гидроагрегатов (ГА) и подстанций. Задача управления сводится здесь к контролю, управлению, регулированию и оптимизации параметров режима работы собственно ГА и подстанции. На верхнем уровне располагается система управления всей станцией в целом, решающая задачи контроля и координации работы всех энергоблоков и подстанций, управления общестанционным оборудованием, оптимизации распределения нагрузки и связи с АСУ энергосистемы.
Составной частью АСУ ТП Жигулевской ГЭС является система контроля гидроагрегатов (СКГА), предназначенная для автоматизации функций сбора, обработки и отображения информации о состоянии и эксплуатационных характеристиках гидроагрегатов в нормальных и аварийных режимах работы.
Разработанная ИИС входит в состав СКГА и используется для измерения и контроля электрических параметров ГГ.
Структурная схема ИИС приведена на рисунке 10.
В состав системы входят: первичные преобразователи напряжения ППН1 – ППН6 и тока ППТ1 – ППТ6; первичные преобразователи постоянного тока ПППТ1 и ПППТ2; аналоговые коммутаторы АК1 – АК3; аналого-цифровые преобразователи АЦП1 – АЦП3; нуль-орган НО; блок цифро-аналоговых преобразователей ЦАП; контроллер КНТ с шинами данных ШД и адреса ША.
Разработано программное обеспечение (ПО) ИИС, обеспечивающее функционирование системы в нормальном и аварийных режимах работы ГГ.
ПО содержит системные и прикладные программные средства.
В состав прикладного ПО входят следующие основные компоненты:
- программа настройки, калибровки ИИС и реализации алгоритма измерения электрических параметров ГГ;
- программа сбора данных;
- вспомогательная программа регистрации моментов и количества перезапусков системы.
Программа сбора данных выполняет следующие функции:
- циклический опрос входных каналов системы с требуемой частотой;
- вычисление оценок мгновенных значений измеряемых параметров ГГ;
- 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.
Экспериментальное исследование метрологических характеристик ИИС производились с помощью трехфазного источника калиброванных сигналов переменного тока МП8005.
Суммарная погрешность измерения любого электрического параметра ГГ определяется погрешностью ИИС и погрешностью соответствующего масштабного преобразователя.
Установлено, что экспериментальное исследование суммарной погрешности затруднено, так как это требует задания входных сигналов напряжения от единиц до десятков киловольт и токов порядка единиц килоампер с необходимой точностью. В этих условиях погрешность может быть оценена расчетным путем с помощью геометрического суммирования значений погрешностей масштабных преобразователей и каналов ИИС как независимых СИ.
Доказано, что в процессе эксплуатации ИИС суммарная погрешность значительно снижается за счет учета погрешности напряжения и угловой погрешности трансформаторов напряжения, погрешности тока и угловой погрешности трансформаторов тока, определяемых при периодических поверках этих масштабных преобразователей.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Проведенный анализ характеристик объекта исследования показал, что особенности измерения электрических параметров ГГ, в первую очередь в режимах синхронных компенсаторов реактивной мощности и длительных несимметричных нагрузок, предъявляют повышенные требования к точности и широкополосности средств измерений, а выявление аварийных режимов работы требует сокращения времени измерения.
2. Проведенный анализ электрических сигналов в контролируемых цепях гидрогенератора в нормальном и аварийном режимах показал, что информационные сигналы в нормальном режиме работы ГГ имеют форму, близкую к гармонической. Экспериментальный анализ показал, что коэффициенты гармоник сигналов не превышают 0,5%. При этом коэффициент мощности превышает 0,8.
3. Исследование существующих аппроксимационных методов и систем измерения ИХПС выявило их основные недостатки, обусловленные недостаточно высокой точностью, а в ряде случаев и быстродействием.
4. Разработанные новые аппроксимационные методы и средства измерения ИХГС позволяют устранить большинство недостатков, возникающих при реализации известных методов определения данных параметров.
5. Проведенный анализ погрешностей, обусловленных отклонением реальных сигналов от гармонических моделей и квантованием мгновенных значений сигналов, показал, что реализация разработанных методов позволяют улучшить основные метрологические характеристики средств измерения интегральных характеристик.
6. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение ИИС, реализующее обработку результатов измерений, эффективный контроль электрических параметров в различных режимах работы ГГ и передачу данных на оперативные рабочие места и на сервер оперативного архива.
7. Реализована и внедрена ИИС контроля электрических параметров ГГ.
8. Проведено экспериментальное исследование ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов в различных режимах работы, которое подтвердило соответствие системы техническим требованиям.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах.
Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций:
1. Камышникова А.Н. Совершенствование методов измерений интегральных характеристик гармонических сигналов / В.С. Мелентьев, В.И. Батищев, А.Н. Камышникова, Д.В. Рудаков // Измерительная техника. - №4. - 2011. - С. 32-34.
2. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Исследование метода определения интегральных характеристик периодических сигналов по мгновенным значениям, связанным с переходом через ноль / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки. - №2(24). - 2009. - С. 82–89.
3. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Оценка погрешности аппроксимационного метода измерения интегральных характеристик по отдельным мгновенным значениям сигналов / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физико-матем. науки. - № 1 (20). - 2010. - С. 226 – 230.
4. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Совершенствование методов определения характеристик периодических сигналов по мгновенным значениям, связанным с переходом сигнала через ноль / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова), Кожевникова Е.Е. // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки. - №2(24). - 2009. - С. 82–89.
Публикации в других изданиях:
5. Камышникова А.Н. An improvement in the methods used for the measurement of the integrated characteristics of harmonic signals / В.С. Мелентьев, В.И. Батищев, А.Н. Камышникова, Д.В. Рудаков // Measurement Techniques. - New York: Springer Science+Business Media. – V. 54, N. 4. – 2011. – Р. 407-411.
6. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Анализ погрешности измерения интегральных характеристик периодических сигналов / А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Наука, технологии, инновации: Матер. Всерос. межвуз. науч. конф. молодых ученых. - Ч.2. – Новосибирск: НГТУ, 2006. - С.27 - 29.
7. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Методы оценки погрешности аппроксимационных методов измерения параметров сигналов / В.С. Мелентьев, А.В. Цапаев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Современные информационные технологии: Тр. междунар. науч.-техн. конф. – Пенза: ПГТА, 2006. - Вып. 4. - С. 46-48
8. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Анализ погрешности информационно-измерительных систем параметров интегральных характеристик из-за нестабильности частоты / А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. междунар. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов. - Т.1. - М.: МЭИ, 2007. - С. 464, 465.
9. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Погрешность измерения среднеквадратического значения сигнала в электрических сетях общего пользования / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Современные информационные технологии: Тр. междунар. науч.-техн. конф. - Вып. 5. – Пенза: ПГТА, 2007. - С. 43, 44.
10. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Методы оценки соответствия модели реальному объекту в системах обеспечения безопасности / В.С. Мелентьев, Е.Е. Макарова, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) / Актуальные проблемы информационной безопасности при противодействии криминалу и терроризму. Теория и практика использования аппаратно-программных средств: Мат. 1 Всеросс. науч.-техн. конф. – Самара: СамГТУ, 2008. – С.121-125.
11. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Аппроксимационный подход к обработке и контролю измерительной информации систем обеспечения безопасности объектов / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Актуальные проблемы информационной безопасности при противодействии криминалу и терроризму. Теория и практика использования аппаратно-программных средств: Мат. 1 Всеросс. науч.-техн. конф. - Самара: СамГТУ, 2008. - С.118-121.
12. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Метод определения параметров периодических сигналов по мгновенным значениям, связанным с переходами сигнала через ноль / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова), Е.Г. Кожевникова, Е.В. Кудрявцева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Тр. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Издательство ПГУ, 2009. - С. 370-374.
13. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Сокращение времени определения интегральных характеристик гармонических сигналов по мгновенным значениям, связанным с переходом сигнала через ноль / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова) // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Тр. 8 Всерос. межвуз. науч.-практ. конф. - Самара, 2009. - С.30-32.
14. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Методы определения параметров гармонических сигналов / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова), Е.Г. Кожевникова // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. - Вып. 2(3). - С. 78-81.
15. Камышникова А.Н. (Болотнова А.Н.) Новый подход к измерению интегральных характеристик гармонических сигналов по мгновенным значениям, распределенным в пространстве / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова (А.Н. Болотнова), Г.И. Леонович // Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2010): Мат. междунар. науч.-техн. конф. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т. - 2010. - С. 186-191.
16. Камышникова А.Н. Анализ погрешности метода измерения параметров гармонического сигнала из-за искажения его формы / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова, А.О. Лычев // Математическое моделирование и краевые задачи: Тр. VII Всерос. науч. конф. с междунар. участием. - Ч.4. - Самара: СамГТУ, 2010. - С. 131-134.
17. Камышникова А.Н. Классификация методов измерения интегральных характеристик гармонических сигналов по мгновенным значениям / В.С. Мелентьев, А.Н. Камышникова, Е.Г. Кожевникова // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. - 1(4). - С. 80-86.
18. Камышникова А.Н. Анализ погрешности определения интегральных характеристик гармонических сигналов по их мгновенным значениям, сдвинутым в пространстве / В.С. Мелентьев, В.И. Батищев, А.Н. Камышникова, Д.В. Рудаков // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации: Тр. междунар. науч.-техн. конф. "Шляндинские чтения - 2010". - Пенза: ПГУ, 2010. - С. 23-27.
19. Камышникова А.Н. Исследование погрешности ИИС интегральных характеристик сигналов по мгновенным значениям, связанным с переходами сигналов через ноль / А.Н. Камышникова, Д.В. Рудаков // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Тр. 9 Всерос. межвуз. науч.-практ. конф.. – Самара: СамГТУ, 2010. - С. 23-26.
20. Камышникова А.Н. Метод определения интегральных характеристик гармонических сигналов по мгновенным значениям напряжения и тока, сдвинутым в пространстве и связанным с переходами через ноль / А.Н. Камышникова // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. - 2(4). - С. 34-43.
21. Камышникова А.Н. Оценка методической погрешности определения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, сдвинутым в пространстве, из-за отклонения реального сигнала от гармонической модели / А.Н. Камышникова // Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. - 2(4). - С. 43-50.
22. Камышникова А.Н. Анализ влияния погрешности квантования на погрешность измерения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, связанным с переходом через ноль / В.С. 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. 85-92.
23. Камышникова А.Н. Интеллектуальные средства измерений: Исследование методов и средств измерения интегральных характеристик периодических сигналов: лаб. практикум / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина, А.Н. Камышникова. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 83 с.
Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве заключается в следующем: в [1], [5] и [18] исследованы погрешности нового метода определения интегральных характеристик по мгновенным значениям гармонических сигналов, сдвинутым в пространстве, из-за искажения формы сигналов; в [2] - [4], [9], [12], [14], [15], [17] и [19] предложены принципы классификации аппроксимационных методов измерения ИХГС, исследованы погрешности известных методов измерения интегральных характеристик из-за отклонения реального сигнала от гармонической модели и проведена оценка погрешности квантования; в [7], [10] и [11] в общем виде предложены принципы выбора моделей сигналов и методы оценки погрешности результата измерения интегральных характеристик из-за несоответствия гармонической модели виду реального сигнала; в [13], [16] и [22] исследованы погрешности нового метода определения интегральных характеристик по мгновенным значениям сигналов, равноотстоящим от переходов через ноль, из-за искажения формы сигналов.
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03
ФГБОУ ВПО "Самарский государственный технический университет"
(протокол № 2 от 6 марта 2012 г.)
Формат 60х84 1/16. Уч. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 239.
Отпечатано на ризографе.
ФГБОУ ВПО "Самарский государственный технический университет"
Отдел типографии и оперативной печати
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
