Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Функциональные возможности и принципы построения автоматических информационных систем для распределительных электросетей 14
1.1 Структура и параметры распределительных электросетей 14
1.2. Особенности, сферы применения и тенденции развития современных информационных систем 19
1.3. Архитектура информационных систем 24
1.4. Основные функциональные устройства информационных систем 30
1.5. Особенности систем коммерческого учета потребления электроэнергии 38
1.5.1 Структура автоматических систем учета электроэнергии 38
1.5.2 Принципы работы и обобщенные схемы счетчиков электроэнергии 40
1.5.3 Интерфейсы измерительных каналов систем учета электроэнергии 48
1.6. Анализ недостатков и разработка требований к интегрированным системам контроля и управления распределительными электросетями и устройствам учета потребления электроэнергии. Постановка задачи диссертации 53
Выводы по главе 1 58
Глава 2 . Исследование и разработка способов и устройств автоматического управления, измерения и контроля параметров распределительных электросетей и учета потребления электроэнергии 60
2.1 Математическая модель процесса управления распределительными электро сетями 60
2.2. Разработка алгоритма и устройства вывода команд управления 66
2.2.1 Схема управления распределительными электросетями 66
2.2.2 Структура и алгоритм работы устройства вывода команд управления ...68
2.2.3 Разработка методики и анализ достоверности команд управления 77
2.3 Создание способов и устройств контроля состояния распределительных элек тросетей 79
2.3.1 Алгоритм работы и структура устройства ввода дискретных сигналов...80
2.3.2. Разработка методики и анализ достоверности дискретных сигналов со стояния контролируемых объектов РЭС 86
2.4. Исследование и разработка способов и устройств прямых измерений элек трических параметров распределительных электросетей 89
2.5 Разработка структуры, устройств и алгоритмов информационных обменов подсистемы учета потребления электроэнергии в интегрированных системах 97
Выводы по главе 2 ; 106
Глава 3. Анализ возможности создания автоматической интегрированной информационной системы на основе анализа вероятностных информационных потоков 107
3.1. Структура информационных потоков в интегрированной информационной системе 107
3.2. Создание вероятностной математической модели каналов контроля и управления 110
3.3. Анализ вероятностных информационных потоков каналов контроля и управления 115
3.4. Анализ вероятностных информационных потоков канала прямых измерений и создание способов снижения их интенсивности 122
3.5 Способ потокообразования и анализ интенсивности потоков в каналах коммерческого учета потребления электроэнергии в составе интегрированной информационной системы. Суммарный информационный поток интегрированной системы 130
3.6 Обобщенная функциональная схема автоматической интегрированной системы для управления, контроля и учета энергопотребления в распределительных электросетях 140
Выводы по главе 3 143
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и испытаний каналов контроля, измерения и управления в интегрированных информационных системах для распределительных электросетей 145
4.1 . Разработка методики и экспериментальной аппаратуры проверки основных технических характеристик системы 145
4.2 Методика проверки и результаты экспериментальных исследований досто верности сигналов контроля и команд управления интегрированных систем 153
4.2.1 Методика экспериментальной проверки достоверности каналов управле ния и контроля 153
4.2.2 Результаты экспериментальной проверки достоверности канала управления 157
4.2.3 Результаты экспериментальной проверки достоверности канала контроля 163
4.3. Результаты экспериментальной проверки точности устройства прямых измерений 169
Выводы по главе 4 175
Заключение 176
Список литературы 178
Приложение 1. Акты внедрения результатов диссертационной работы 187
Приложение 2. Фрагмент программного обеспечения устройства прямых изме
рений 191
- Особенности, сферы применения и тенденции развития современных информационных систем
- Структура и алгоритм работы устройства вывода команд управления
- Анализ вероятностных информационных потоков каналов контроля и управления
- . Разработка методики и экспериментальной аппаратуры проверки основных технических характеристик системы
Введение к работе
Одной из основных составляющих научно- технического прогресса высокоразвитого государства является состояние и перспективы развития электроэнергетики и энергосбережения, которые во многом определяются качеством управления, контроля и измерения параметров распределительных электросетей (РЭС), а также учета энергопотребления. Разработка средств измерения, контроля и управления распределительными электросетями характеризуется созданием на основе последних достижений вычислительной техники и микроэлектроники автоматических устройств с программным управлением, решающих в составе информационно-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, методов повышения достоверности, быстродействия и точности измерений внесли СЕ. Shanon [1], В.А. Котельников [2], В.М. Глушков [3], Б.Н. Петров [4], С.А. Лебедев, Ю.В. Гуляев [5]. Принципы построения управляющих вычислительных комплексов изложены в работах Ф.Е. Темникова [6], А.В. Фремке [7], П.П. Ор-натского [8-9], П.В. Новицкого [10], М.П. Цапенко [И], Ю.М. Коршунова [12] , Л.Н. Преснухина [13] и др. Известно большое число исследований, посвященных вопросам кодирования и помехозащищенности информации, например, работы Д.Т. Брауна [14], Р.В. Хэмминга, Г.А. Шастовой [15], Э.Н. Гильберта [16], Л.Д. Грэя [17], А.А. Харкевича [18] . Вопросами построения сложных агрегатированных каналов связи и цифровых телекоммуникационных сетей, специализированных распределенных микропроцессорных вычислительных систем управления занимаются ученые Рязанской государственной радиотехнической академии под руководством профессора В.П.Корячко [19-21].
Основы теории информационно-управляющих систем в различных отраслях промышленности разработаны во Всесоюзном центральном научно- исследо
вательском институте комплексной автоматизации [22-24], в Институте проблем управления РАН [25], во Всесоюзном научно-исследовательском институте электроэнергетики [26-27]. Большую известность получили исследования ведущих зарубежных фирм: ABB, Nokia, Motorola, Siemens и др [28-30].
Распределительные электросети являются ключевым компонентом в процессах производства, транспортировки и распределения электроэнергии. Ранее режимы энергосистем управлялись только автоматическими системами диспетчерского управления (АСДУ). Вместе с тем для устойчивой и эффективной работы энергосистем необходимы с одной стороны жесткий контроль, точность измерений и достоверность управления распределительными электросетями, с другой стороны строгий контроль и учет энергоресурсов. В настоящее время указанные функции выполняются двумя автономными подсис-темами-АСДУ и коммерческого учета потребления электроэнергии (АСКУЭ). Существенная проблема состоит в том, что, как правило, указанные подсистемы изготовляются разными производителями, использующими различное аппаратно-программное обеспечение, информационные каналы связи и датчики, хотя их функции зачастую дублируются. Все это приводит к возрастанию затрат на обслуживание и эксплуатацию систем, значительных трудностях в получении оперативной информации о состоянии РЭС. Таким образом существующая серьезная проблема в обслуживании распределительных электросетей делает необходимым создание единой интегрированной системы, сочетающей функции диспетчерского управления и учета энергопотребления. Проводимые ведущими зарубежными и российскими учеными интенсивные работы по созданию интегрированных систем, однако, пока не позволяют в полной мере реализовать подобную систему.
Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на разработку автоматических устройств и интегрированных информационных систем для управления, контроля и учета энергопотребления в распределительных электросетях, определяющиеся необходимостью устойчивого энерго обеспечения, достоверного контроля и управления, высокоточного измерения параметров распределительных электросетей. Цель работы - создание автоматических интегрированных информационных систем с функциями диспетчерского управления, контроля состояния распределительных электросетей и учета потребления энергоресурсов. Указанная цель достигается путем разработки автоматических устройств управления, контроля энергопотребления и измерения электрических параметров, создания новых алгоритмов обработки информации, средств повышения точности измерений и достоверности управления и контроля. Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих задач: разработка структур и алгоритмов работы автоматических устройств 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 интенсивности информационных потоков и вычислительной загрузки центров обработки информации; разработка способов потокообразования и алгоритмов формирования и обработки информационных массивов, обеспечивающих разгрузку информационных каналов и вычислительных ресурсов интегрированных систем; экспериментальная оценка разработанных теоретических положений, технических решений и методов. Методы исследования. Основные задачи решены на основе: теории интегральных и дифференциальных уравнений, теории вероятности, теории массового обслуживания, теории очередей, теории автоматического управления. Научная новизна. В диссертации содержится решение задачи разработки автоматических устройств и интегрированных информационных систем для контроля, управления и учета энергопотребления в распределительных элек тросетях, имеющей существенное значение для автоматизации и повышения эффективности процессов распределения и потребления электроэнергии, устойчивости работы распределительных электросетей, повышения точности измерений и достоверности управления и контроля. При проведении исследований в рамках данной диссертационной работы получены 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 загрузки центров обработки информации, на основе которых теоретически обоснована возможность создания автоматических интегрированных информационных систем; - разработана обобщенная функциональная схема автоматической интегрированной информационной системы с функциями диспетчерского управления и учета потребления энергоресурсов; -разработаны 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 ; -разработаны устройство и способ прямых измерений электрических параметров распределительных электросетей, основанные на аппроксимации выборки фазных токов и напряжений, обеспечивающие суммарную погрешность измерений 0,2% ; -предложены способы двухступенчатого кодирования информационных сигналов в каналах контроля и команд управления, обеспечивающие высокий уровень достоверности информации; -разработаны устройство и способ обработки дискретных сигналов состояния распределительных электросетей, обеспечивающие диагностику работоспособности цепей связи с датчиками и повышение эффективности использования канала связи; -разработаны устройство и способ потокообразования канала учета потребления электроэнергии с разделением на оперативную и неоперативную составляющие, доказывающие возможность включения подсистемы АСКУЭ в структуру интегрированной системы; -разработаны экспериментальные методики ускоренных испытаний, имитирующих работу интегрированных систем в реальных условиях, алгоритмы проверки функциональных устройств и технических характеристик систем.
Практическая значимость работы. На основе полученных результатов созданы автоматические устройства управления, контроля, прямых измерений интегрированных информационных систем, инженерные методики и математические модели. Наибольшее применение они нашли в системах управления и контроля для автоматизации технологических процессов распределительных электросетей. Гибкость и универсальность разработанных технических решений делает возможным их применение в системах управления и контроля : технического состояния энергетических систем; тяговых подстанций электрифицированного железнодорожного транспорта; магистральных трубопроводов; авиационных, морских и железнодорожных терминалов, инженерных объектов коммунального хозяйства, метрополитенов и многих других. Результаты экспериментальных исследований автора показали, что: -относительная приведенная погрешность измерения силы тока и напряжения равна 0,3 %, что как минимум в 2-3 раза ниже погрешности при традиционных способах измерений; в условиях сильного воздействия помех (при соотношении сигнал/шум 3/1-8/1) вероятность вывода ложной команды управления составляет 10"15 и приема ложных дискретных сигналов 10 10 ( при требованиях ГОСТ соответственно 10"12-10"14 и 10 7-10"9 для соотношении сигнал/шум не менее 8/1); в нормальных условиях (при соотношении сигнал/шум 8/1) вероятность выполнения ложной команды управления равна 9-Ю"18 , а вероятность приема ложных сигналов контроля - 9-Ю 13, что как минимум на 2 порядка ниже требований ГОСТ и обеспечиваемых лучшими аналогами.
Соотношения, выведенные для расчета вероятностных характеристик интенсивности информационных потоков, загрузки центров обработки информации, достоверности сигналов контроля и команд управления проиллюстрированы примерами расчета и подтверждены результатами эксперимента, которые доказывают адекватность предложенных теоретических положений и технических решений реальным процессам, протекающим в системах.
Достоверность научных положений определяется: корректностью полученных математических результатов, хорошим совпадением полученных на практике характеристик автоматических устройств и интегрированных 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 устройства и способов прямых измерений электрических параметров распределительных электросетей повышенной точности; -создание способов двухступенчатого кодирования информационных сигналов в каналах контроля и команд управления, обеспечивающие повышенную достоверность информации; -разработка устройства и способа обработки дискретных сигналов состояния распределительных электросетей с диагностикой работоспособности цепей связи с датчиками; -создание устройства и способа потокообразования канала учета электроэнергии с разделением на оперативную и неоперативную составляющие; -разработка вероятностной математической модели каналов управления и контроля в стационарных и аварийных условиях работы; -разработка методики вычислений и способов снижения интенсивности информационных потоков и загрузки центров обработки информации интегрированных систем; -теоретическое обоснование возможности создания интегрированных информационных систем и разработка ее обобщенной функциональной схемы; -создание экспериментальных методик ускоренных испытаний, имитирующих работу автоматических интегрированных систем в реальных условиях; -разработка алгоритмов проверки функциональных устройств и технических характеристик интегрированных систем.
Внедрение результатов работы.
Результаты теоретических исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, внедрены в следующие объекты и процессы: - в систему диспетчерского управления энергообъектами ВВЦ России; - в НИР № ГР 01200207913 (Шифр "405-ГБ-53-Б-УИС " за 2004 г.) и № ГР01200303878 (Шифр " 494-ГБ-53-Гр-НИЛУИС" 2004 г.); -учебный процесс в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) при чтении лекций кафедрой "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем". На защиту выносятся : -устройство, алгоритмы работы и способ формирования команд управления распределительными электросетями; -устройство и способ прямых измерений электрических параметров распределительных электросетей повышенной точности; -способы двухступенчатого кодирования информационных сигналов каналов контроля и команд управления, обеспечивающие высокий уровень достоверности информации; -устройство и способ обработки дискретных сигналов состояния распределительных электросетей, обеспечивающие диагностику работоспособности цепей связи с датчиками и повышение эффективности использования канала связи; -устройство и способ потокообразования канала учета потребления электроэнергии с разделением на оперативную и неоперативную составляющие и возможностью обработки данных от счетчиков с числоимпульсными и кодовыми посылками; -вероятностная математическая модель каналов управления и контроля в стационарных и аварийных условиях работы; -методики вычислений и способы снижения интенсивности информационных потоков и загрузки центров обработки информации автоматических интегрированных систем; -обобщенная функциональная схема интегрированной системы; -результаты экспериментальных исследований достверности сигналов контроля и команд управления интегрированных систем и проверки точности устройства прямых измерений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 3-й Международной научно-технической конфе-ренциия "Электроника и Информатика-XXI век" (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ(ТУ), 2000 год) и 12-й Всероссийской межвузовской научно- технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информати-ка-2005" (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ(ТУ), 2005 год).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 работах, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и утвержденных ВАК РФ для изложения основных научных результатов диссертации на соискание ученых степеней доктора наук.
Без соавторов опубликовано 5 работ. Диссертационная работа проводилась с целью достижения результатов, соответствующих " Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации " и решению проблем " Критических технологий Российской Федерации ".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 152 страницы основного текста, 34 страницы с рисунками и таблицами, список литературы из 111 наименований, приложения на 22 страницах.
В первой главе обзорного характера проведен анализ современных автоматических информационных систем и их основных функциональных устройств. Выявлены их основные недостатки, сформулированы требования к перспективным высокоэффективным системам. На этой основе конкретизируются теоретические и научно-технические задачи, требующие решения в диссертационной работе.
Во второй главе разработаны алгоритмы работы и устройства ввода команд управления, контроля состояния, прямых измерений и коммерческого учета электроэнергии информационных систем для распределительных электросетей. Предложены способы кодирования и математический аппарат для расчета достоверности команд управления и сигналов контроля.
В третьей главе созданы вероятностная математическая модель каналов контроля и управления и методики расчетов вероятностных информационно-вычислительных ресурсов интегрированных систем. Разработаны способы и алгоритмы формирования и обработки информационных потоков. Математически обоснована возможность создания интегрированной системы. В четвертой главе представлены результаты практических испытаний автоматических устройств интегрированных информационных системы для распределительных электросетей. Предложена методика и проведена экспериментальная проверка достоверности каналов управления и контроля. Проведена экспериментальная проверка точности прямых измерений. В заключении приведены основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы . В приложениях представлены документы о внедрении результатов диссертационной работы и фрагмент программного обеспечения устройства прямых измерений.
Особенности, сферы применения и тенденции развития современных информационных систем
В предыдущем разделе было показано, что специфика процесса измерения , контроля и управления распределительными электросетями отличается сложностью, функциональной и информационной насыщенностью и предъявляет повышенные требования к точности и достоверности информации. Указанные факторы делают необходимым применение автоматических систем сбора информации о состоянии РЭС, измерения их электрических параметров, нормализации, передачи, обработки и отображения информации и формирования управляющих воздействий, т.е. информационно- управляющих систем (ИУС) [41-43]. Современные ИУС помимо широких функциональных возможностей отличаются и значительной сферой применения [26]. В частности потребность в высокоэффективных ИУС испытывают многие отрасли промышленности и непромышленной сферы, особенно: электроэнергетические системы, электрифицированный железнодорожный транспорт, магистральные трубопроводы, предприятия тяжелой промышленности и нефтедобычи, авиационные, морские и железнодорожные терминалы, инженерные объекты коммунального хозяйства, метрополитены и многие другие. При всем многообразии отраслей применения электроэнергетика и в настоящее время является базовой сферой ИУС, ставя все новые теоретические и практические задачи, направленные на оптимизацию струк 20 туры и архитектуры систем, расширение их функциональных возможностей, повышение основных технико-экономических показателей. Анализ современных ИУС для распределительных электросетей и объектов энергетики показал, что по своему функциональному назначению их можно отнести к двум большим классам: автоматические системы диспетчерского управления (АСДУ) и автоматические системы коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ). Основными функциями АСДУ являются: контроль состояния распределительных электросетей: измерение - передача по каналам связи значений непрерывно изменяющихся параметров контролируемых процессов (мощности, напряжения, токов и т. п.). Измерения передаются либо непрерывно, либо по вызову диспетчера. Различают также передачу всех периодических отсчетов (циклическая передача) либо передачу только изменившихся значений (адаптивная, спорадическая передача). Контролируемый параметр может характеризоваться либо текущими мгновенными, либо интегральными значениями за заданный интервал времени; сигнализация - передача дискретных сигналов о состоянии распределительных электросетей и их технических устройств (положение масляных выключателей, разъединителей, контакторов и т. п.). Передача сигнализации осуществляется либо спорадически, либо циклически. - управление - передача по каналам связи команд от диспетчера или автоматически к силовым исполнительным устройствам(выключателям мощности, разъединителям, контакторам и т. п.) для изменения состояния технологического оборудования РЭС [26,44].
В настоящее время современные АСДУ широко распространены для управления, контроля и измерений параметров распределительных электросетей. С целью выявления основных тенденций в производстве и развитии АСДУ проанализируем системы ведущих российских и иностранных фирм, наиболее широко представленные на экономическом пространстве России. Продукция Siemens (Германия) представлена широкой гаммой программно -логических контроллеров Simatic [29]. Устройства, оптимально приспособленные для работы в локальной сети между пунктами обмена информацией одного предприятия, требуют специализированных широкополосных каналов связи, что усложняет их использование в системах с магистральными каналами связи. По аналогичной причине затруднено использование систем фирм Allen Bradley.
Концерном ABB разработан управляющий вычислительный комплекс (УВК) SPIDER DMS с архитектурой SCADA и широкими функциональными возможностями и программными задачами. УВК поддерживает работу распределенных баз данных с коррекцией в режиме реального времени. Предусмотрен аппаратно-программный механизм сопряжения с электронными счетчиками электроэнергии Альфа производства ABB - ВЭИ Метроника (Россия) [28].
Фирма PEP Modular Computers (Германия) - производитель промышленных контроллеров и модульных систем автоматизации на основе международного стандарта VME-bus [30]. Изделия PEP позволяют создавать многоуровневые АСУ, но при их применении для построения малообъектных устройств УСО появляется аппаратно-программная избыточность, что значительно снижает их технико-экономические показатели . Системы MOSCAD фирмы Motorola предназначены для управления магистральными газопроводами России и Украины . Система не в полной мере адаптирована к использованию комбинированных каналов связи и достаточно дорога. Информационно-управляющие системы российского производства значительно дешевле и более адаптированы к условиям работы на объектах стран СНГ. Предприятие Юг-Система (г. Краснодар), разработало на базе популярного УВК ТМ-120 более современный вариант - КОМПАС ТМ 2.0, широко применяющийся для контроля и управления нефтедобывающим оборудованием, газовой промышленности, объектов коммунального хозяйства и электроэнергетики [45]. ЗАО "Системы связи и телемеханики" (г. С.-Петербург) разработала и внедрила в производство серию систем "Телеканал" , "Телеканал-М", "Телеканал-М2", которые являются одними из наиболее совершенных ИУС России. В состав АС-ДУ семейства "Телеканал" включены модули для выполнения функций сигнализации, измерения, управления, учета электроэнергии, модемы и мультиплексоры для присоединения к ВЧ, радио, цифровым и оптоволоконным линиям связи. Одной из последних разработок фирмы являются оперативные информационно-управляющие комплексы (ОИУК) "Контакт", предназначенные для решения задач оперативного и диспетчерского управления различными типами объектов на любых уровнях иерархии - от пункта дежурного по одному небольшому объекту до крупного диспетчерского центра, управляющего сотнями удаленных разнородных объектов [46].
Программно-технический комплекс "СИСТЕЛ" относится к классу систем сбора данных и диспетчерского управления или SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) систем и представляет собой набор программно-аппаратных средств, предназначенных для построения АСДУ на базе персональных компьютеров для использования в энергетике на уровне энергосистем, предприятий, районов электрических сетей, электростанций, крупных подстанций. Системы выполнены на основе промышленной микроЭВМ на базе Intel 80С188 собственной разработки, конструктивно совместимой с microPC фирмы "Octagon Systems", а в другой модификации - на основе микроконтроллера AT90S8535 фирмы ATMEL. АСКУЭ предназначены для решения следующих задач: - комплексный автоматизированный коммерческий и технический учет электроэнергии и энергоносителей с целью производства внешних и внутренних расчетов по энергоресурсам и обеспечения их рационального расхода;
Структура и алгоритм работы устройства вывода команд управления
С учетом сформулированных требований в диссертационной работе предложено УВКУ, в котором используется принцип разделения формируемой команды управления на координаты, определяющие адрес периферийного объекта контроля, номера группы и объекта управления в группе, вида команды управления - «включить» или «отключить» [74,93-95]. На рис. 2.3 приведен фрагмент схемы разработанного устройства ввода команд управления. Команды управления формируются ключами Юіі...Клп , содержащими переключающий контакт с объединенными неподвижными выво-дами.Число диодов Di ,..., Dn , подключенных к ключу , равно числу позиционных координат, которые полностью идентифицируют объект управления. В примере , приведенном на рис.2.3, объект управления определяется позиционным шестнадцатиразрядным кодом координаты номера группы устройств связи с объектом- Nrpyco, восьмиразрядным кодом номера УСО в группе - Nyco , шестнадцатиразрядным кодом номера группы объектов управления- Njpoy , восьмиразрядным кодом номера объекта управления в группе - Noy , видом команды управления- Ыку Признаки вида команды управления «включить» и «отключить» совмещаются с адресом группы УСО , в результате чего количество формируемых сигналов адресов групп УСО удваивается - отдельные сигналы формируются при выборе объекта управления для команд «включить» и «отключить». Общее число формируемых координат команды управления равного Таким образом предложенный способ формирования КУ обеспечивает уменьшение общей длины команд управления более, чем в 2 раза. Выходы у ключей Кл]...Клп с одинаковыми координатами К[...К4 объединяются и подключаются к соответствующим триггерам памяти сигналов - координат адреса объекта управления. При подаче команды изменяется положение одного из ключей Клі...Клп. Образуемые при этом кратковременные импульсные сигналы через диоды Du... Djn , D2i... D2n , D31... D3n , D41... D4n переводят триггеры соответствующих координат в состояние "1". Одновременно переводится в "1" и триггер Т2 , формирующий сигнал "запрос" и разрешающий управление триггерами координат . Т.к. от одного ключа КЛІ сигнал управления поступает на пять триггеров , а сигнал управления должен быть большим , чем 2/3 от напряжения питания- Unum, должно выполняться соотношение ) Откуда Rj= 10RO2p. Сигналы от триггеров координат преобразуются во входные сигналы коммутатора с помощью сумматоров по модулю "2" , которые инвертируют входные сигналы от триггеров при подаче на их второй вход сигнала "1". Благодаря этому на входы коммутатора поступают прямые и инверсные сигналы на двух смежных тактах частоты/„. Прямые и инверсные сигналы от коммутатора заносятся в ОЗУ, откуда в виде сформированных команд управления подаются на силовые исполнительные устройства. На рис.2.4 представлен алгоритм работы УВКУ. Принципиальным отличием разработанного алгоритма является введение секции автоматического управления за счет автоматического формирования аварийных команд управления. Аварийная команда формируется: при фиксации поступления во внутреннюю магистраль УСО дискретных сигналов (ДС) состояния контролируемых объектов РЭС , формируемых устройством ввода дискретных сигналов (УВДС), которые интерпретируются как аварийные. Для этого устройство ввода команд управления периодически получает данные ДС от внутренней магистрали и вводит их в собственную память; при фиксации поступления во внутреннюю магистраль данных измерений электрических параметров РЭС , которые интерпретируются как аварийные.
Алгоритм работы устройства вывода команд управления Сигналы измерений воспринимаются как аварийные: при превышении текущим значением параметра установленного и записанного в таблицу памяти УВКУ при его адаптации к реальным условиям работы предельного значения; при превышении скорости изменения текущего значения параметра измерения предельного значения. Превышение скорости изменения определяется по величине разности между значениями кода измерения, полученными в двух смежных считываниях значения сигнала от датчика. Важно подчеркнуть, что для выхода из аварийной ситуации может оказаться необходимым реализовать не одну, а цепочку команд управления. Для цепочки команд в память УВКУ заносятся также временные условия (сдвиги) выполнения очередной команды цепочки. В качестве условий выполнения цепочки команд могут быть и другие - прием соответствующих ДС или значений текущих измерений (ТИ).
В начале работы УВКУ анализирует прерывание от контроллера внутренней магистрали (1). Термин «прерывание от контроллера» означает подключение данного (выбранного) устройства к внутренней магистрали, т.е. предоставление ему возможности приема или передачи данных. Контроллер в соответствии с текущим режимом работы: вводит данные (например, команду управления), вводит квитанцию, полученную от приемника (например, от ЦПУ), вводит команду вызова всей или части информации, накопленной устройством, разрешает устройству передавать информацию. В соответствии с принципами построения ИУС все виды информации передаются: по «событию для передачи», по сигналу таймера повторной передачи, по вызову периодически с установленным временем цикла, который существенно больше, чем реальное быстродействие канала передачи данных . Для выполнения не только команд управления, принятых от контроллера, но и автоматически выполняемых аварийных команд, устройство реагирует на данные, формируемые устройствами ввода дискретных сигналов и измерений. Благодаря наличию секций анализа сигналов состояния объектов РЭС и данных от датчиков измерений электрических параметров, устройство реализует функции автоматической защиты цепей электропитания. Новые функции существенно расширяют функциональные возможности УВКУ и всего ИУС.
Анализ вероятностных информационных потоков каналов контроля и управления
Рассчитаем время, затрачиваемое центром обработки информации (ЦОИ) УСО на обслуживание информационных потоков каналов контроля и управления (КНКУ). Интенсивность стационарных потоков КНКУ - ЛКНКУ определим на основании среднестатистических данных об изменениях состояний объектов контроля ЛКНКУ (J.Jlj Пск где у - среднестатистическая частота переключений одного объекта; NQK-среднее число объектов; пск - число секунд в году. Примем во внимание, что каждый ДС носит "битовый" характер, т.к. состояние объекта контроля отображается одним двоичным разрядом, а при вводе информации в ЦОИ происходит группирование информации. Степень уплотнения информации определяется разрядностью кцои входных каналов ЦОИ. На основании (3.31) и с учетом группирования входной информации среднее время поступления информации КНКУ в ЦОИ составит ІКНКУ-(ЛКНКУ) —— (3.32) У ок Определим среднее время /6р)кнку обработки ЦОИ одного информационного сообщения потока КНКУ і(обр)кнку = c,c2t, +t00+tee , (3.33) где //- длительность одного рабочего такта ЦОИ ; сг среднее число тактов, затрачиваемых на реализацию одной команды процедуры ввода и обработки информации; t00 -среднее время ожидания начала обработки информации; te(1 -среднее время ввода информации; с2- среднее число команд, затрачиваемых ЦОИ для обработки информации, определяемое выражением s 2= ЛРгС2г С3 34) г=1 где С2г- число команд программы обработки введенного в ЦОИ г -го значения информации; рг - вероятность ввода в ЦОИ г- го значения информации, s-возможное число различных значений информации. Среднее время ожидания начала обработки информации t00 определяется задержками из-за возможности пересечения во времени обслуживания нового сообщения потока КНКУ или работы ЦОИ в режиме запрета прерывания, а также временем на завершение обслуживания прерванного ранее более приоритетного сообщения [106]. Тогда too =Рсвп (tnp + at3d ) (3.35) где рсвп- вероятность совпадения во времени обрабатываемого и вновь поступившего сообщения; t3d- время, затрачиваемое ЦОИ на решение задачи г-го типа; а- коэффициент, определяющий процент невыполненной задачи к моменту ее прерывания вновь поступившей задачей; /ир-время, затрачиваемое управляющей программой ЦОИ на реализацию алгоритма прерывания решаемой задачи и определения вида и приоритета вновь принятой . где tnpH- время переноса данных прерванной задачи в стек ЦОИ; tnd:- время на подготовку операции ввода и вводу адреса вектора прерывания; tata - время выполнения подпрограммы сравнения приоритетов прерванного и вновь введенного сообщения. Тогда t p КНКУ = Cic2ti +tee+pcen(t„pH+tnde+taHj,+at3d). (3.37) Примем достаточно жесткое условие рст =0.5робр, гдрробр- вероятность того, что ЦОИ занят обработкой какой-либо задачи в любом временном сечении. Аналогично примем а=0.5, tnpif=c3t,, tee=c6th tnde=c4th tati=c5th t3d=c7th где c3, c4 , c5 , Сб -среднее число тактов, затрачиваемых на выполнение команд приостановки, подготовки, анализа и ввода информационного сообщения, соответственно, с7 - число команд программы обработки информации [107,108]. Подставляя принятые соотношения в (3.37), получим і(обр)кнку=іі [сіС2+0.5робр (с3+с4+с5+0.5с7)+Сб]. (3.38) Определим среднюю загрузку ЦОИ (ркнку) обработкой стационарного потока канала контроля и управления, как отношение между средним временем обработки и поступления одного информационного сообщения _ 4 _ J W/[C/C2 + 0 5РобР(сз +с4+с5+ 0,5с7) + с6\ РКНКУ 7 \J-jy) КНКУ псЛцои С учетом требований к информационно-вычислительной мощности ЦОИ, имеем : &доя=16, tj=10f с, Сі =10г; с2 =1(г, с3=с4 = с5— се =104, 07=105 ,ро5р =0.5, NOK 200 , пскхЗЛ07 с/год; у=1000 год"1. Подставляя приведенные численные значения в (3.39), получим ркнку Ю"4. Таким образом, общая относительная загрузка ЦОИ обслуживанием стационарного потока КНКУ составляет ркнку «Ю"4, другими словами, информационно-вычислительные возможности канала ИУС при обслуживании указанного потока используются всего на 0,01 %, поэтому принимать какие-либо дополнительные меры по уменьшению его интенсивности нет необходимости. Определим вероятность обслуживания информационных потоков канала контроля и управления без очереди
. Разработка методики и экспериментальной аппаратуры проверки основных технических характеристик системы
Разработанные в предыдущих главах новые теоретические положения, автоматические устройства и способы обработки информации дают теоретическую возможность создавать интегрированные информационно- управляющие системы для распределительных электросетей. Предложенные новые технические решения позволяют повысить эффективность информационно-управляющих систем, расширить их функциональные возможности сделать их более универсальными, адаптированными к различным условиям функционирования. В данном разделе диссертационной работы приводятся результаты экспериментов, практически доказывающие эффективность предложенных решений, а также приводятся алгоритмы и методики проверки и диагностики основных функциональных устройств системы. 4.1. Разработка методики и экспериментальной аппаратуры проверки основных технических характеристик системы Испытания технических характеристик системы проводились на экспериментальной аппаратуре при нормальных условиях эксплуатации, а также при имитации основных факторов, снижающих эффективность информационных обменов: затухания рабочих сигналов в каналах связи; мешающего действия помех в каналах связи УСО-ЦПУ; мешающего действия помех в цепях связи УСО с датчиками и силовыми исполнительными устройствами. Методика проведения экспериментальных исследований учитывала возможность появления задержек при формировании и передаче информации по всей трассе от датчиков до исполнительных устройств; вероятностные характеристики реальных информационных потоков и параметры распределительных электросетей. Структурная схема аппаратуры для экспериментальной проверки технических характеристик ИУС приведена на рис.4.1. Структурная схема имитатора 146 УСО и канала связи УСО-ЦПУ приведена на рис.4.2. Экспериментальная аппаратура состоит из двенадцати имитаторов УСО, разбитых на три группы -по четыре УСО в каждой. Группы УСО подключены к имитаторам магистральных каналов связи. Выбор магистральной структуры канала связи позволяет провести эксперименты при наиболее жестких ограничениях к скорости информационных обменов. Имитаторы каналов связи выполнены на наборах резисторно- конденсаторных цепочек со следующими характеристиками -RH =100 Ом/км и Сут = 0,04 мкФ/км, что соответствует параметрам реальных каналов связи. Для подключения источника помех и измерения их уровня в состав имитатора включен нормирующий резистор RHi. Величина нормирующего резистора выбирается равной 20 Ом, т.е. существенно меньшей общего сопротивления этого канала связи.
Затухание рабочих сигналов, вносимое имитаторами каналов связи, регулируется в пределах от 0 до —30 дБ путем включения в имитатор различного числа RC звеньев, что соответствует параметрам реальной воздушной линии связи длиной 100-130 км. С помощью имитатора помех ("белого шума") к рабочим сигналам с амплитудным значением +5,2 дБ, поступающим в линии связи от передатчика, аддитивно добавляются сигналы помех. Соотношение уровней рабочих сигналов и помех измеряется по величине сигнала на нормирующем резисторе RHi и регулируется в пределах 3/1-8/1, что соответствует ГОСТ 26205-88 .
Для имитации воздействия помех в цепи связи с датчиками включается генератор синусоидальных сигналов, обеспечивающий регулирование уровня помех в каналах ввода дискретных сигналов в пределах от 0 до 1,5 В (что при рабочем уровне сигналов, равном 12В, обеспечивает соотношение сигнал/помеха 12/1,5 = 7/1) в частотном диапазоне от 50 до 1000 Гц, а для имитации воздействия помех, действующих в цепях связи с исполнительными устройствами - аналогичный генератор с уровнем сигналов до 3,5 В (соотношение сигнал/помеха - 24/3,5 =7/1 при уровне рабочих сигналов- 24В). Рис.4 Л Схема экспериментальной аппаратуры для проверки работоспособности системы и ее функциональных устройств.
Генератор шума с регулируемым уровнем кЦПУ -і 1 УСО Внутренняя магистраль УСО контроллер внутренней магистрали линейный адаптер магистральный модем Имитатор тсанала связи Рис.4.2. Структурная схема УСО и имитатора канала связи для экспериментальной проверки технических характеристик системы Имитаторы объектов УСО позволяют практически одновременно изменять состояние датчиков дискретных сигналов, сигналы от которых поступают на разные устройства одного УСО. Так как высокую скорость информационных обменов системы труднее всего обеспечить для магистральных каналов связи, в установке предусмат 149 ривается подключение всех УСО к трем магистральным каналам связи. В результате достигается возможность проверки основных параметров в наиболее жестких условиях и оценки приемлемости полученных результатов для интегрированных ИУС. Данные всех УСО поступают на общий для них центральный пункт управления , включающий модем для магистрального (ММ) и радиальных каналов связи (РМ) линейный адаптер (ЛА), согласующий выходные сигналы ММ(РМ) с параметрами рабочих сигналов остальных устройств ЦПУ. Устройства сопряжения (УС) выполняют функцию автономного контроля принятой или передаваемой информации и сопрягаются с внутренней магистралью ЦПУ. Контроллер внутренней магистрали, обеспечивает буферирование всей полученной информации и программно - аппаратный ввод данных в ПЭВМ. При проведении эксперимента для регистрации информации использовались две ПЭВМ, входящие в состав ЦПУ.
В состав устройств УСО (рис.4.2) включены два устройства ввода дискретных сигналов (УВДС) - одно из них воспринимает данные по 32 цепям от имитатора состояния 16 исполнительных силовых устройств, а во второй УВДС вводятся данные от имитатора 64 дискретных сигналов. Имитатор дискретных сигналов включает 64 двухпозиционных переключателя, состояние которых можно изменять произвольным образом 10 4- 60 раз в час, имитатор позволяет практически одновременно изменить состояние 1-Й 6 датчиков. Чтобы повысить информационную нагрузку на канал ввода дискретных сигналов, от ЦПУ каждые 40 секунд подавалась команда "Вызов", при приеме которой в УСО имитировалось изменение состояния контролируемых объектов, а в ЦПУ контролировалось поступление данных от всех устройств УСО.
