Алгоритмизация микропроцессорной обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики в электрических сетях
На правах рукописи
ГОНЧАРОВ Алексей Кириллович
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ТЕРМИНАЛОВ
ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ АВТОМАТИКИ В
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Специальность: 05.13.06 – Автоматизация и управление
технологическими процессами и
производствами (промышленность)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2007
Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом
университете
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Коробейников Борис Андреевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Атрощенко Валерий Александрович кандидат технических наук, профессор Сингаевский Николай Алексеевич |
| Ведущая организация: | Филиал ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС» «Региональное диспетчерское управление энергосистемами Республики Адыгея и Краснодарского края» |
Защита диссертации состоится 14 ноября 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар,
ул. Московская 2А, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского
государственного технологического университета по адресу: 350072,
г. Краснодар, ул. Московская, 2А.
Автореферат разослан: 9 октября 2007 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.04
канд. техн. наук, доцент Власенко А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время вопросы повышения качества и надёжности электроснабжения являются одними из важнейших направлений в развитии народного хозяйства страны. Для успешного решения этих задач особое внимание уделяется вопросам создания новых и совершенствования существующих систем противоаварийной автоматики в электрических сетях.
При эксплуатации электрических сетей за счет износа оборудования в последнее время увеличилось количество аварийных ситуаций, которые приводят к отключению потребителей электрической энергии. Рост генерирующих мощностей приводит к увеличению кратностей токов короткого замыкания, что, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности возникновения искажений в показаниях датчиков тока (трансформаторов тока), сигнал от которых поступает к терминалам противоаварийной автоматики. Искажения сигнала от датчиков, при недостаточно эффективной обработке в терминале, приводят ложной работе противоаварийной автоматики, либо к её отказу, что, в свою очередь, может повлечь за собой значительные повреждения оборудования либо необоснованное отключение потребителей электроэнергии. Указанные проблемы указывают на необходимость совершенствования алгоритмов и методик цифровой обработки поступающих сигналов, с целью улучшения показателей быстродействия, чувствительности, селективности и надежности распознавания аварийных ситуаций в электрических сетях.
Быстрое развитие современных информационных технологий, микропроцессорной техники создают широкие возможности в решении вопросов разработки новых алгоритмов обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики электрических сетей.
Диссертационная работа посвящена актуальной научной проблеме совершенствования алгоритмов обработки информации для терминалов противоаварийной автоматики при искажениях информации от датчиков тока.
Цель работы. Совершенствование алгоритмов работы терминалов противоаварийной автоматики посредством разработки новых теоретических и практических решений, позволяющих увеличить чувствительность, быстродействие, надежность и точность срабатывания защит, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока при аварийных ситуациях.
Задачи исследования:
– систематизация и исследование алгоритмов цифровой обработки сигналов для терминалов противоаварийной автоматики электрических сетей;
– исследование сигналов от датчиков тока (трансформаторов тока) при их искажениях на основе математических моделей;
– выявление устойчивых информационных признаков сигналов, позволяющих обнаруживать искажения информации в сигнале от датчиков;
– разработка нового быстродействующего математического алгоритма обработки сигнала от датчика тока, позволяющего выделять необходимую информацию из искаженного сигнала;
– разработка структуры терминала противоаварийной автоматики;
– разработка программного обеспечения и математических моделей для исследования работы терминала противоаварийной автоматики при искажениях информации;
– проведение экспериментальных исследований, доказывающих работоспособность разработанных методов и устройств.
Методика исследования. При решении поставленных задач использовались программное, математическое и физическое моделирование, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, дискретное моделирование переходных процессов на ЭВМ, теория электрических цепей и сигналов.
Научная новизна:
– сформулированы устойчивые базовые информационные признаки искаженного сигнала от датчиков тока, позволяющие определить наличие искажений в сигнале в реальном времени;
– разработан быстродействующий алгоритм обнаружения аварийной ситуации на ранней стадии её развития, в том числе в условиях искажения сигнала от датчиков тока, и подачи команды на отключение до момента наступления пикового значения тока короткого замыкания;
– предложена структурная схема устройства компенсации искажений сигнала от датчиков тока в реальном времени.
Практическая ценность:
– выполнена программная реализация и получены результаты комплексных расчётов погрешности разработанного алгоритма ЦОС при искажении информации трансформатором тока;
– разработана структура терминала противоаварийной автоматики электрических сетей, обеспечивающая обработку информации при её искажениях;
Результаты исследования, представленные в диссертации, были использованы при разработке и изготовлении опытного промышленного образца терминала для новой микропроцессорной токовой релейной защиты воздушных линий электропередач напряжением 6-10кВ по заданию ОАО «Кубаньэнерго» ОАО «Компания «РИТМ» (г.Краснодар).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:
– на заседаниях научных семинаров кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета;
– на научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2005, 2006, 2007);
– на всероссийской научно-технической конференции «Основные пути решения технической и технологической политики в распределительных сетях» (Дивноморск, 2005г.).
Опытный промышленный образец терминала токовой релейной защиты воздушных линий электропередачи, изготовленный в ОАО «Компания «РИТМ» с использованием результатов диссертационной работы был удостоен бронзовой медали на VII Московском международном салоне исследований и инвестиций (5-8 февраля 2007 года).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 1 – в периодическом издании, рекомендованном ВАК России для публикации научных работ.
Основные положения, выносимые на защиту:
– устойчивые информационные признаки сигналов, позволяющие установить наличие искажений в сигнале от датчиков тока в реальном времени;
– алгоритм ЦОС, позволяющий обнаружить развитие аварии на начальной стадии, корректно работающий в условиях искажения сигнала от датчика тока;
– структурная схема устройства компенсации искажений сигнала от датчиков тока в реальном времени.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, четырёх приложений и списка литературы (90 наименований). Работа содержит 127 страниц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена научная проблема, поставлены цели и задачи исследования.
В первой главе выявлены особенности работы терминалов противоаварийных защит при коротких замыканиях; приведены данные о работе известных алгоритмов цифровой обработки сигналов в существующих терминалах токовой защиты с указанием недостатков их работы; обоснована актуальность совершенствования алгоритмов цифровой обработки сигналов в терминалах токовых защит, поставлены задачи исследования.
Во второй главе приведен математический анализ поведения датчиков тока (трансформаторов тока) при воздействиях сверхтоков с позиции выявления информационных признаков сигнала, устойчивых к возникающим искажениям.
В качестве датчиков тока в подавляющем большинстве устройств, являющихся частью энергосистемы, применяются трансформаторы тока, выполняющие функции гальванической развязки и преобразования мгновенного значения тока в пропорционально меньший сигнал, подаваемый в противоаварийный терминал для дальнейшей обработки. В диссертации предложен новый алгоритм ЦОС, основной задачей которого является максимально быстрое выделение из искаженного сигнала информации, необходимой для принятия терминалом оперативного решения по отключению поврежденного участка.
Для построения данного алгоритма был проведен анализ режимов работы трансформаторов тока в условиях коротких замыканий на основе математической модели трансформатора тока, с выявлением информационных признаков и закономерностей, характерных для сигнала, искаженного вследствие насыщения сердечника трансформатора тока. На основе этих признаков можно определить режим работы трансформатора тока и характер искажений сигнала, поступающего в терминал, в реальном времени:
а) если текущий ток возрастает по абсолютной величине, значит сердечник трансформатора либо не насыщен, либо текущий ток находится на ступеньке насыщенного сигнала.
б) если убывание первой производной тока сменилось возрастанием при соблюдении критерия а), значит фрагмент кривой тока в промежутке времени от последнего момента пересечения оси абсцисс (нуля) до текущего момента являлся ступенькой насыщения.
в) если первая производная тока снижает свое абсолютное значение при одновременном снижении абсолютного значения тока, значит, трансформатор находится в режиме насыщения.
Графическая интерпретация информационных критериев представлена на рис. 1.
Результаты исследований, проведенных в главе 2, являются основой для разработки алгоритма ЦОС, позволяющего компенсировать искажения, возникающие в результате перегрузки трансформаторов тока.
Третья глава посвящена разработке метода борьбы с искажениями сигнала и увеличения быстродействия срабатывания защиты. В данной главе:
– разработан и протестирован с помощью математического моделирования алгоритм ЦОС, устойчивый к искажениям, возникающим в сигнале от датчиков тока;
– проведен анализ быстродействия и потенциальной применимости алгоритма ЦОС для противоаварийных устройств упреждающего действия;
– предложена структура устройства, позволяющая компенсировать искажения сигнала от трансформатора тока в реальном времени.
Рисунок 1 – Действие информационных критериев оценки искаженного сигнала
Предлагаемый алгоритм ЦОС обладает следующими достоинствами:
– возможность вычисления амплитуды периодической составляющей искаженного сигнала;
– низкая восприимчивость к искажениям, вносимым датчиком (трансформатором тока);
– низкая восприимчивость к апериодической составляющей в первичном сигнале;
– низкая восприимчивость к шумам (отсутствие в вычислениях производных входного сигнала любого порядка).
Графические зависимости, отображающие результат работы алгоритма ЦОС приведены на рис. 2.
Исследование работы предлагаемого алгоритма ЦОС дали следующие результаты:
– погрешность алгоритма неизменна для диапазона полной погрешности ТТ от нуля и до величины, при которой момент входа в насыщение переходит на возрастающий участок кривой; при этом погрешность для данного режима равна погрешности обработки аналогичной кривой, не содержащей искажений. Приближенно полную погрешность по ГОСТ 7746-2001, при которой момент входа в насыщение переходит на возрастающий участок кривой, можно принять равной 35-40%, т.е. алгоритм полностью не чувствителен к искажениям, вносимым трансформатором тока, если полная погрешность в данном режиме менее 35-40%;
– максимальная погрешность алгоритма на участке из двух полупериодов, зафиксированная на конце обрабатываемых полезных участков, при полной погрешности ТТ лежащей в диапазоне 60-80% не превышает 4% для сигнала с апериодической составляющей, и 0,2% для синусоидального сигнала;
Рисунок 2 – Результат работы алгоритма ЦОС по вычислению амплитуды периодической составляющей в сигнале, содержащем апериодическую составляющую (к=300)
– результаты вычислений, проведенных алгоритмом на первом полупериоде, применимы для генерирования команды на отключение поврежденного участка на самых ранних стадиях – ещё на первой четверти первого полупериода развития аварии. Следовательно, при применении быстродействующего коммутационного устройства (например, полупроводникового) в качестве выключателя поврежденного участка, можно произвести отключение ещё до возникновения ударного тока, т.е. выполнить функцию защиты упреждающего действия;
– промежуток времени от момента физического возникновения короткого замыкания до начала выдачи информации предлагаемым алгоритмом ЦОС равен ~1мс.
Приведенный алгоритм целесообразно использовать не только в терминалах токовой защиты. Так как в настоящее время очень распространены электромеханические реле, и экономические затраты на перевод релейной защиты на современный уровень очень велики, в диссертации предложена структура устройства, работающего на базе разработанного алгоритма, и позволяющего компенсировать искажения вторичного тока в цепях устройств существующей релейной защиты на базе электромеханических реле.
В четвертой главе предложены архитектура и пример реализации функциональных блоков противоаварийного терминала токовой защиты.
Для наиболее простой и наглядной организации устройства следует разбить его на функциональные блоки, каждый из которых будет отвечать за определённый спектр задач. Данное разбиение может быть как на физическом (выделение отдельных блоков, плат, процессоров), так и на логическом (отдельные части программы одного микропроцессорного модуля) уровнях.
Для микропроцессорного терминала защиты воздушной линии 6-10 кВ функциональная схема устройства может иметь вид, показанный на рис. 3. Как видно из рисунка, блок имеет несколько входных и выходных сигналов, а именно:
Входные сигналы:
– контролируемый сигнал – ток после трансформатора тока;
– сигнал управления от устройства HMI;
– сигналы управляющих входов;
– сигналы от стандартных интерфейсов.
Выходные сигналы:
– сигнал управления выходными органами;
– сигналы управления устройствами HMI;
– сигналы, передаваемые через стандартные интерфейсы.
Рисунок 3 – Функциональная схема токовой защиты воздушной линии 6-10 кВ
Центром обработки информации, поступающей от датчика тока (трансформатора тока), реализующим предлагаемый алгоритм ЦОС, – является тракт «Блок первичной обработки информации»-«АЦП»-«Блок восстановления информации». Этот тракт является первостепенным по важности и надежности.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований. В данной главе приведены:
– результаты физического моделирования работы экспериментального лабораторного образца устройства, предназначенного для апробации предложенного алгоритма ЦОС;
– структура лабораторной установки для проведения экспериментов.
В данной главе графически представлены (см. рис. 4) снятые временные зависимости следующих величин:
i(t) – входной сигнал, содержащий искажения от датчика тока;
Is(t) – амплитуда периодической составляющей сигнала, согласно вычислениям предложенного алгоритма ЦОС.
Эксперименты показали, что результат вычисления амплитуды периодической составляющей тока, происходящий в процессе поступления данных, отклоняется от результатов теоретического исследования не более чем на 3,2%. Результирующая относительная погрешность вычисления амплитуды периодической составляющей сигнала (а значит, точность срабатывания защиты) не превышает 4,6%.
При сравнении результатов работы стандартных алгоритмов ЦОС в сравнении с предлагаемым, отчётливо видно, что во втором случае результаты вычислений стабильнее, чем по алгоритмам, приведенным в гл. 1, что выражается в меньшей погрешности, а также в большей стабильности и достоверности величины IS(t) на участках кривых, не подверженных искажениям.
Рисунок 4 – Работа предлагаемого алгоритма ЦОС в случае синусоидального первичного сигнала с апериодической составляющей, искажениями 40%, Ta=0,03с, К=600, IП=5000А
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В ходе выполнения работы были получены следующие основные выводы и результаты:
1. Анализ существующих алгоритмов ЦОС аварийного сигнала, применяемых в существующих терминалах и описанных в литературе, показал, что они обладают значительными погрешностями в переходных процессах аварийных режимов и не обеспечивают должной точности срабатывания.
2. В результате анализа математической модели датчика тока (трансформатора тока) установлено, что мгновенный сигнал, поступающий в терминал, представляет собой последовательность искаженных и неискаженных участков, при этом длительность этих участков определяется режимом работы датчика.
3. Анализ математической модели трансформатора тока позволил вывести информационные признаки сигнала, позволяющие своевременно обнаруживать переходы кривой сигнала из одного участка в другой и определять наличие искажений в сигнале в текущий момент.
4. Разработан алгоритм ЦОС, предназначенный для вычисления амплитуды периодической составляющей сигнала, устойчивый к наличию апериодической составляющей сигнала, искажениям от насыщения трансформатора тока.
5. Максимальная величина относительной погрешности разработанного алгоритма ЦОС на участке из двух полупериодов, при искажении сигнала трансформатором тока, лежащем в диапазоне 60%, не превышает 4% для сигнала с апериодической составляющей, и 0,2% – для синусоидального сигнала. В сравнении с существующими алгоритмами ЦОС, улучшены показатели точности.
6. Применение разработанного алгоритма ЦОС позволяет построить противоаварийный терминал упреждающего действия.
7. На основе разработанного алгоритма ЦОС предложена структурная схема устройства, предназначенного для компенсации искажений от датчиков тока в существующих цепях защиты и автоматики электросетей.
8. Результаты экспериментов показали совпадение с теоретическими исследованиями с погрешностью, не превышающей 3,2%; а результирующая относительная погрешность восстановления амплитуды периодической составляющей не превысила 4,6%.
9. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «Компания «РИТМ» при разработке опытного образца токовой микропроцессорной защиты воздушной линии электропередач 6-10кВ.
ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Коробейников Б.А., Гончаров А.К. Алгоритм предсказания амплитудного значения переменного синусоидального тока в блоках микропроцессорной релейной защиты. // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции. Кубн. гос. технол. ун-т. – Краснодар: Изд. ГОУ ВПО КубГТУ, 2005. – С.16-18.
- Коробейников Б.А., Гончаров А.К. Информационные признаки смещения перехода кривой вторичного тока через ноль и определение величины смещения // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции. Кубн. гос. технол. ун-т. Краснодар: Изд. ГОУ ВПО КубГТУ, 2006. – С.34-37.
- Коробейников Б.А., Гончаров А.К. Оценка погрешности алгоритма предсказания амплитудного значения переменного синусоидального тока в блоках микропроцессорной релейной защиты // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции. Кубн. гос. технол. ун-т. – Краснодар: Изд. ГОУ ВПО КубГТУ, 2005. – С.19-22.
- Коробейников Б.А., Гончаров А.К. Помехоустойчивый алгоритм восстановления информации в системах микропроцессорных релейных защит // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции. Кубн. гос. технол. ун-т. Краснодар: Изд. ГОУ ВПО КубГТУ, 2006. – С.31-33.
- Оценка погрешности алгоритма восстановления сигнала при наличии несинусоидального тока для микропроцессорной релейной защиты / Коробейников Б.А., Гончаров А.К., Ищенко А.И., Сидоров Д.И. // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции. Кубн. гос. технол. ун-т. Краснодар: Изд. ГОУ ВПО КубГТУ, 2007. – С.86-89.
- Оценка погрешности алгоритма восстановления искаженного сигнала при конечной частоте ТЦП для токовой микропроцессорной релейной защиты / Коробейников Б.А., Гончаров А.К., Смаглиев А.М., Сидоров Д.И. // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции. Кубн. гос. технол. ун-т. Краснодар: Изд. ГОУ ВПО КубГТУ, 2007. – 242с.
- Разработка и освоение производства микропроцессорной релейной защиты воздушных линий электропередач 6-10кв на основе оригинальных быстродействующих методов измерения искаженных электрических сигналов в сетях при аварийных ситуациях / Коробейников Б.А., Гончаров А.К., Фабричнев Г.В., Осилов И.П. // Материалы всероссийской научно-технической конференции Основные пути решения технической и технологической политики в распределительных сетях. – УДК 621.311.1, ББК 31.279. – Дивноморск, 2005. – С.69-74.
- Гончаров А.К. Повышение надежности электроснабжения предприятий пищевой промышленности. // Известия ВУЗов. Пищевая технология. – 2006. – №6. – С.74-76.
