Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ и контроль показателей качества электрической энергии в электроэнергетических системах 11
1.1 Понятие качества электрической энергии 11
1.2 Показатели качества электроэнергии, характеризующие несинусоидальность напряжения 13
1.3 Негативные последствия отклонения показателей несинусоидальности напряжения от нормы 21
1.3.1 Влияние несинусоидальности напряжения 21
1.3.2 Влияние присутствия промежуточных гармоник 23
1.4 Обзор приборов контроля показателей КЭ 23
1.5 Контроль качества электрической энергии 29
1.5.1 Основные задачи и виды контроля качества электроэнергии 29
1.5.2 Требования стандарта к контролю качества электроэнергии 30
1.6 Выводы по разделу 31
2 Анализ существующих методов определения спектральных составляющих напряжения в электроэнергетических системах 33
2.1 Алгоритмы оценки спектральных составляющих напряжения 33
2.1.1 Алгоритмы оценки частот гармоник напряжения 35
2.1.1.1 Метод Якобсена (Jacobsen's Modified Quadratic Estimator) 36
2.1.1.2 Методы Квина (Quinn's Estimator, Quinn's Second Estimator) 39
2.1.1.3 Методы Маклеода (Macleod's Estimator) 41
2.1.1.4 Метод Грэндка (Grandke's method) 43
2.1.1.5 Алгоритм параболической интерполяции (Parabolic Interpolation) 45
2.1.1.6 Алгоритм интерполяции Гаусса (Gaussian Interpolation) 47
2.1.1.7 Метод корреляционных функций 49
2.1.2Обзор методов определения амплитуд и фаз гармонических составляющих напряжения 56
2.1.2.1 Интерполяционные методы 56
2.1.2.2 Метод корреляционных функций 57
2.2 Модернизация метода корреляционных функций 58
2.3 Исследование методов оценки спектральных составляющих напряжения 61
2.4 Выводы по разделу 68
3 Разработка алгоритма определения спектральных составляющих напряжения в электроэнергетических системах 70
3.1 Анализ метода корреляционных функций 71
3.1.1 Выбор оконной функции 71
3.1.2 Выбор шага формирования эталонов 80
3.1.3 Выбор количества отсчетов в наборе эталона 81
3.2 Анализ методов поиска экстремумов функции 82
3.3 Описание и реализация быстрого метода корреляционных функций 86
3.4 Методика оценки интергармонических составляющих напряжения 90
3.5 Выводы по разделу 92
4 Экспериментальные исследования и проверка достоверности полученных результатов 93
4.1 Проверка достоверности полученных результатов при проведении эксперимента в лаборатории 93
4.1.1 Описание схемы эксперимента 93
4.1.2 Проведение эксперимента и обработка полученных данных 97
4.2 Проверка достоверности полученных результатов при проведении эксперимента на объекте исследования 103
4.2.1 Описание схемы эксперимента 103
4.2.2 Проведение эксперимента и обработка полученных данных 105
4.3 Выводы по разделу 108
Заключение 110
Список литературы 112
- Негативные последствия отклонения показателей несинусоидальности напряжения от нормы
- Обзор методов определения амплитуд и фаз гармонических составляющих напряжения
- Методика оценки интергармонических составляющих напряжения
- Проверка достоверности полученных результатов при проведении эксперимента в лаборатории
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из главных векторов перспективного развития России, согласно установкам энергетической стратегии на период до 2030 года, является повышение эффективности контроля качества электрической энергии (КЭ). Для этого необходимо уделять большее внимание совершенствованию методов контроля и анализа показателей КЭ. Оценка показателей КЭ является обязательной процедурой для обеспечения безопасного применения электрооборудования, а также для осуществления обязательств по предоставлению электроэнергии потребителям. Несоответствие норм показателей КЭ может привести к преждевременному износу оборудования, нарушениям производственных и технологических циклов работы предприятий, а также к дополнительным потерям электроэнергии. Согласно данным Европейской Комиссии ежегодный экономический ущерб от некачественной электроэнергии в странах Европейского союза составляет около 150 млрд. евро, в США – около 200 млрд. долларов.
Значительный вклад в решение вопросов по измерению показателей КЭ и разработке мероприятий по обеспечению КЭ внесли: Р.А. Ахмеджанов, В.Г. Аввакумов, В.Д. Бардушко, В.Н. Горюнов, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, Е.В. Иванова, И.И. Карташов, В.Г. Кузнецов, В.З. Манусов, В.Г. Сальников, В.Т. Черемисин, М.Г. Шалимов, А.К. Шидловский, J. Arrillaga, N.R. Watson, S. Santoso, а также другие отечественные и зарубежные ученые.
Форма кривой напряжения является одним из основных параметров, характеризующих качество электрической энергии в электроэнергетических системах. Несинусоидальность напряжения отрицательно влияет на работу силового электрооборудования, релейной защиты и автоматики в электроэнергетических системах, приводит к значительному экономическому ущербу, обусловленному ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электросетей и сокращением срока службы электрооборудования.
Показатели КЭ, характеризующие несинусоидальность напряжения, определяются по результатам оценки гармонических и интергармонических составляющих напряжения. В связи с введением новых нормативных документов, описывающих КЭ, значительно возросли требования к точности измерений, к аппаратным ресурсам средств измерений, изменился также состав показателей КЭ. Для определения показателей несинусоидальности напряжения теперь,
помимо гармоник, необходимо производить оценку интергармоник, что требует более мощных аппаратных ресурсов. Однако можно решить данную проблему на программном уровне, повысив быстродействие метода спектрального анализа.
Диссертационная работа посвящена совершенствованию методов оценки гармонических и интергармонических составляющих напряжения. Проблема является актуальной и требует новых решений по данным вопросам.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является совершенствование методов контроля и анализа показателей несинусоидальности напряжения в электроэнергетических системах путем создания нового алгоритма определения гармонических и интергармонических составляющих напряжения.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Анализ методов и средств контроля показателей КЭ.
-
Обзор и анализ существующих алгоритмов определения спектральных составляющих напряжения.
-
Получение методики вычисления фаз и амплитуд спектральных составляющих напряжения методом корреляционных функций, обеспечивающей эффективную оценку показателей несинусоидальности напряжения.
-
Разработка принципа формирования эталонов с действительным спектром, необходимого для повышения точности оценки показателей несинусоидальности напряжения.
-
Повышение быстродействия метода спектрального анализа за счет сокращения количества вычислительных операций.
Методика и методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы математического анализа и теории вероятностей. Исследования алгоритмов осуществлялось на ЭВМ в среде пакета Matlab. Для проверки достоверности результатов при проведении эксперимента использовались испытательная система «РЕТОМ-41М» и многофункциональный измерительный комплекс (МИК).
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Уточнена методика вычисления амплитуд и фаз гармоник напряжения, позволяющая обеспечить точность, близкую к теоретической границе Крамера-Рао.
-
Повышены точность и быстродействие оценки показателей несинусоидальности напряжения за счет применения алгоритма чисел Фибоначчи
и предложенного в работе принципа формирования эталонов с действительным спектром.
-
Получена методика выбора шага формирования наборов эталонов для различного уровня шума, позволяющая производить вычисления спектральных составляющих напряжения с точностью, близкой к теоретической границе Крамера-Рао.
-
Предложена методика оценки интергармонических составляющих напряжения, позволяющая производить вычисления среднеквадратических значений интергармонической группы и центрированной интергармонической подгруппы с точностью как для гармонических групп и подгрупп.
Теоретическая и практическая значимость диссертации заключается в следующем:
-
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработан и зарегистрирован комплекс программ в среде пакета Matlab, позволяющий решать задачи спектрального анализа напряжений в электроэнергетической системе.
-
Предложенный в работе алгоритм определения гармонических и интергармонических составляющих напряжения использован при создании программного обеспечения автоматизированной системы учета электрической энергии на фидерах контактной сети (Западно-Сибирская Дирекция по энергообеспечению «Трансэнерго», филиал ОАО «РЖД»).
-
Метод оценки спектральных составляющих напряжения, а также программный комплекс для вычисления показателей КЭ, характеризующих несинусоидальность напряжения, используются в циклах лабораторных работ по дисциплинам «Качество электрической энергии и энергосберегающие технологии» и «Математические основы теории систем».
Достоверность научных положений и результатов обоснована теоретически, подтверждена исследованиями на ЭВМ в среде пакета Matlab и на практике при проведении эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты анализа существующих методов оценки спектральных составляющих напряжения.
-
Модернизация метода корреляционных функций.
-
Принцип формирования эталонов с действительным спектром.
-
Методика выбора шага формирования наборов эталонов для метода корреляционных функций.
5 Алгоритм определения гармонических и интергармонических составляющих напряжения с оптимизацией поиска максимального значения коэффициента корреляции методом чисел Фибоначчи (быстрый метод корреляционных функций).
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010 г.), Научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге» (Омск, 2010 г.), Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2011 г.), Научно-практической конференции «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012 г.), Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов (Красноярск, 2012 г.), VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2012 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (Омск, 2013 г.).
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решение, разработка комплекса программ в среде пакета Matlab, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации, результаты моделирования принадлежат автору. Личный вклад в каждой работе, опубликованной в соавторстве, составляет более 50%.
Публикации. Положения диссертации и основные результаты исследования опубликованы в двенадцати научных работах, из которых три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, один отчет НИР и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 17 таблиц, 66 рисунков, список использованных источников из 121 наименования и 14 приложений. Общий объем работы составляет 154 страницы машинописного текста.
Негативные последствия отклонения показателей несинусоидальности напряжения от нормы
Несинусоидальность напряжения, вызываемая высшими гармониками (ВГ), отрицательно влияет на работу силового электрооборудования, релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения промышленных предприятий. При несоответствии нормам коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения, возрастают суммарные потери электроэнергии, сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, повышая аварийность в кабельных сетях, вызывая сбои в работе систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи [44, 53].
При работе асинхронного двигателя (АД) в условиях несинусоидального напряжения его коэффициент мощности и вращающийся момент на вале может снижаться. Например, если амплитуды пятой и седьмой ВГ напряжения составят соответственно 20 процентов и 15 процентов амплитуды первой гармоники, коэффициент мощности двигателя уменьшится на 26 процентов по сравнению со значением его при синусоидальном напряжении [44]. Существенно влияют ВГ на изоляцию электрических машин, конденсаторов, а также на измерительные приборы и устройства автоматики. Искажение формы кривой напряжения активизирует появление и протекание ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При этом развиваются местные дефекты в изоляции, которые приводят к увеличению диэлектрических потерь и сокращению срока службы [44].
Наиболее ощутимое влияние ВГ оказывает на работу батарей конденсаторов. Конденсаторы, работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка токами ВГ, которая возникает, как правило, при возникновении в сети резонансного режима на частоте одной из гармони [44, 53].
При несинусоидальном режиме сети происходит ускорение старения изоляции силовых кабелей. Исследования кабелей работающих при синусоидальном напряжении при уровне ВГ в кривой напряжения в пределах 6,85 процентов показали, что за 2,5 года ток утечки возрастает на 36 процентов, а через 3,5 года уже на 43процента [44, 53, 66].
ВГ в сети ухудшают работу телемеханических устройств, если силовые линии используются в качестве каналов связи. ВГ приводят к ухудшению работы высокочастотной связи и систем автоматики, а также вызывают ложные срабатывания некоторых релейных защит [32, 34, 66].
ВГ напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов. Индукционные счетчики активной и реактивной энергии при несинусоидальных напряжениях имеют довольно большую погрешность, которая может достигать 10 процентов [32, 34]. 1.3.2 Влияние присутствия промежуточных гармоник
Промежуточные гармоники вызывают следующий ряд негативных последствий [82, 83]:
– появление помех в сигналах управления и защиты в линиях электроснабжения;
– нарушение работы устройств, основанных на измерении моментов перехода напряжения через нуль, например, регуляторов силы источников света;
– возникновение помех в телекоммуникационных линиях;
– акустические помехи;
– низкочастотные колебания в механических системах;
– возникновение перегрузок в пассивных параллельных фильтрах гармоник высшего порядка;
– насыщение трансформаторов тока;
– тепловой эффект.
Наиболее распространенным видом влияния, которое оказывает присутствие промежуточных гармоник, является изменение среднеквадратического значения амплитуды напряжения, а также явление мерцания.
Контроль показателей КЭ осуществляется с помощью сертифицированных приборов, обеспечивающих измерение и расчет всех необходимых параметров, для определения КЭ. К такому роду приборов относятся показывающие и регистрирующие частотомеры и вольтметры, анализаторы качества напряжения, анализаторы несинусоидальности, осциллографы, анализаторы несимметрии, регистраторы искажения формы кривой, электроанализаторы [60]. В настоящее время на рынке СИ показателей КЭ представлено большое количество приборов отечественного и зарубежного производства. Большинство зарубежных приборов удобны и надежны в эксплуатации, однако они не удовлетворяют требованиям даже ГОСТа 13109–97. Кроме того, импортные приборы дороже отечественных аналогов и имеют непродолжительный срок автономной работы. Поэтому в работе рассмотрены только следующие отечественные СИ [53]:
Переносной прибор «Эрис-КЭ.02» предназначен для измерения и регистрации показателей КЭ и вспомогательных характеристик электрической энергии в трехфазных электрических сетях общего назначения [72]. «Эрис-КЭ.02» фиксирует все основные показатели КЭ, установленные в ГОСТ 13109-97 одновременно. Приборы этой серии ориентированы на проведение сертификационных испытаний и исследование вопросов электромагнитной совместимости. Измерения могут производиться одновременно по всем каналам в зависимости от выбранной схемы подключения.
Отображение результатов измерений осуществляется на цветном графическом дисплее прибора «Эрис-КЭ.02». Для удобства пользования прибор комплектуется сервисным программным обеспечением на ПЭВМ для отображения результатов измерений и их анализа, а также для задания установок и настроек самого прибора.
Прибор «Ресурс-UF2» предназначен для измерений характеристик напряжения, включая основные показатели КЭ по ГОСТ 13109-97, характеристик тока, мощности и энергии переменного трехфазного и однофазного тока, как в автономном режиме, так и в составе информационно-измерительных систем [73]. Данный прибор используется для организации учета показателей КЭ энергии на предприятиях промышленности и в энергосистемах, обследования электросетей предприятий, учета потоков мощности в энергосистемах, а также учета выработки и потребления электроэнергии.
«Ресурс-UF2» поставляется с пакетом программного обеспечения, позволяющего контролировать измеряемые характеристики в режиме реального времени и осуществлять их дальнейшую обработку. Прибор обеспечивает непрерывную работу без ограничения длительности.
Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «ОМСК-М» предназначен для измерения параметров электрической энергии в однофазных и трехфазных сетях, включая показатели КЭ по ГОСТ 13109-97 и оценки их соответствия нормальным и предельно допускаемым значениям [46].
ИВК «ОМСК-М» представляет собой переносное устройство, обеспечивающее регистрацию, оцифровывание, и запоминание мгновенных значений напряжения и тока электрической сети одновременно по всем каналам. Прибор допускает непрерывную работу в рабочих условиях не менее семи суток. Накопленная информация обрабатывается программами, входящим в комплект ИВК «ОМСК-М».
«Энергомонитор 3.3 Т1» обеспечивает измерение основных показателей КЭ по ГОСТ13109-97 и EN 50160 [71]. Прибор обеспечивает непрерывное измерение, расчет и накопление (с последующей передачей на ПЭВМ) результатов измерений с дискретностью 1 минута не менее чем за 7 суток.
«Энергомонитор 3.3 Т1» обеспечивает регистрацию наибольших и наименьших значений показателей КЭ и количества отсчетов, попавших в нормально допускаемые пределы, предельно допускаемые пределы и не попавших в эти пределы за каждые сутки. Архивирование результатов измерений производится во внутренней энергонезависимой памяти.
Обзор методов определения амплитуд и фаз гармонических составляющих напряжения
Листинг программы, реализующий метод корреляционных функций, приведен в приложении И.
На рисунке 2.19 представлен график смещения оценки основной частоты напряжения в зависимости от уровня шума для метода корреляционных функций.
Рисунок 2.19– График смещения оценки основной частоты напряжения в зависимости от уровня шума (метод корреляционных функций)
Для интерполяционных методов существует единый алгоритм оценки амплитуды и фазы гармонических составляющих напряжения. Базовым элементом для нахождения амплитуд и фаз гармонических составляющих напряжения является параметр [109]. Если параметр 8 известен, то амплитуда гармоник напряжения определяется из следующего выражения [109]:
Листинг программы, реализующий алгоритм оценки амплитуды и фазы гармоник напряжения для интерполяционных методов приведен в приложении К.
Для метода корреляционных функций амплитуда v-й гармоники напряжения определяется по формуле (2.28).
Фаза v-й гармоники напряжения получается после преобразований из формулы (2.31): Приведенные в работах [35, 81] сведения не полностью раскрывают методику вычисления амплитуд и фаз гармоник напряжения. Также в работах [35, 81] не описан способ получения эталонов с действительным спектром, что является необходимым условием при формировании набора эталонов [25, 80]. Поэтому дальнейшее модернизация метода корреляционных функций является актуальной задачей. 2.2 Модернизация метода корреляционных функций Рассмотрим вывод формулы коэффициента корреляции между множеством U и эталоном W . Из условия равенства двух комплексных чисел, в формуле (2.26), амплитуды должны быть равны. Если в качестве окна выбирается симметричная функция, то функция W{co) и множество ее значений Wp будут действительными. Когда эталоны W и формируются достаточно часто, корреляционная функция R{Ar - Arj) определяется как сумма квадратов значений Wp (обозначим эту сумму как Е). Таким образом, формулу (2.28) для определения модуля амплитуды v-й гармоники можно переписать следующим образом:
Для метода корреляционных функций необходимым условием при формировании наборов эталонов является использование эталонов с действительным спектром. В работах [35, 81] такой алгоритм формирования эталонов представлен не был. В связи с этим, для оценки гармонических составляющих напряжения, необходимо разработать алгоритм получения эталонов с действительным спектром.
В качестве исследуемого напряжения рассмотрим следующую модель:
Эталонные сигналы формируются из синусоид с помощью наложения на них оконных функций. Как известно из свойств ДПФ, для того чтобы спектр заданного N отсчетами сигнала был действительным, сигнал должен быть симметричен относительно точки N/2 [78]. Для получения симметричного эталона необходимо сделать симметричной синусоиду [84].
Рисунок 2.20 – Представление симметричного сигнала Как показано на рисунке 2.20, для того чтобы синусоида была симметрична относительно точки N/2, необходимо подобрать ее фазу таким образом, чтобы значения в точках (N/2-1) и (N/2+1) были равны по модулю, но противоположны по значению [84].
Методика оценки интергармонических составляющих напряжения
В ГОСТ Р 51317.4.7–2008 установлены требования к проведению измерений гармоник и интергармоник напряжения [4].
Спектральные составляющие, относящиеся к интергармоникам, обычно изменяются по амплитуде и по частоте. В стандарте [4] определены способы образования интергармонических групп путем группирования следующих друг за другом с частотой 5 Гц спектральных составляющих в интервале частот между последовательными гармоническими составляющими (рисунок 1.2). Это группирование позволяет учесть значения спектральных составляющих, возникающих между двумя последовательными гармониками, а также учесть результаты флюктуации гармоник.
На рисунке 3.20 приведен пример детализации гармоник непрерывного передаваемого сигнала 23 В на частоте 178 Гц, наложенного на третью и пятую гармоники, имеющие среднеквадратические значения 11,5 В. В данном случае интергармоническая группа порядка 3,5 содержит большую часть распределенной энергии.
В работе предложены рекомендации по оценки гармоник и интергармоник напряжения быстрым методом корреляционных функций [41].
При наличии в напряжении интергармонических составляющих в модель сигнала u(t), принятая в (2.2), кроме шума (t) к случайным процессам будет отнесены данные составляющие. Рисунок 3.20 - Детализация гармоник напряжения
На первом этапе определяются гармонические составляющие напряжения (определяется 40 гармоник). Данный этап был рассмотрен выше. Далее, начиная с частоты 55 Гц с шагом в 5 Гц минуя частоты высших гармоник, определяются амплитуды интергармоник (необходимо определить 351 интергармонику). В этом случае базовая точка В определяется следующим образом:
После определения параметра 8 (согласно методу корреляционных функций) определяется частоты интергармоник, как отклонение параметра 8 от базовой точки В (3.7). Амплитуды интергармоник для каждой частоты определяются по формуле (2.34).
По результатам исследования методов в среде пакета Matlab было установлено, что точность оценки среднеквадратических значений интергармонической группы и центрированной интергармонической подгруппы, произведенная быстрым методом корреляционных функций соизмерима с точностью оценки значений гармонических групп и подгрупп. 3.5 Выводы по разделу
На основании работы, проделанной в третьем разделе, можно сделать следующие выводы:
1) Исследование метода корреляционных функций показало, что использование окон с наименьшим уровнем подавления боковых лепестков позволяет добиться наименьшей величины смещения вычисляемого параметра. Наименьшую величину смещения обеспечивает применение оконных функций Тьюки и Кайзера с параметром 4. Также хорошие результаты показали метод с треугольным окном, окнами Чебышева (параметр 40) и Барлетта.
2) При анализе метода корреляционных функций на предмет определения количества отсчетов в наборе эталона, с которыми метод обеспечит наименьшее смещение гармонических составляющих напряжения, было установлено, что достаточно использовать пять отсчетов в наборе эталона при его построении. Это обеспечит экономию памяти и вычислительных ресурсов.
3) Метод чисел Фибоначчи был использован для решения задачи сокращения количества операций перебора. Применение алгоритма позволяет определять точки, в которых необходимо вычислить значения коэффициента корреляции.
4) В результате исследования получено, что точность оценки спектральных составляющих напряжения быстрым метод корреляционных функций соизмерима с точностью оценки модернизированным методом корреляционных функций. Отличия возникают только при уровне шума от минус 20 дБ до минус 10 дБ. Величина отклонения не превышает двух процентов.
5) Для быстрого метода корреляционных функций предложена методика оценки интергармонических составляющих напряжения, позволяющая производить вычисление среднеквадратических значений интергармонической группы и центрированной интергармонической подгруппы с точностью оценки значений гармонических групп и подгрупп.
Проверка достоверности полученных результатов при проведении эксперимента в лаборатории
В предыдущих разделах описаны существующие методы оценки спектральных составляющих напряжения в электроэнергетических системах и предложен быстрый метод корреляционных функций, который обеспечивает высокую точность вычисления и низкую вычислительную сложность.
В разделе выполнена проверка достоверности полученных результатов при проведении эксперимента в лаборатории и на объекте исследования.
При проведении эксперимента в лаборатории в качестве прибора для моделирования различных режимов работы энергосистем применялась испытательная система «РЕТОМ-41М». Для получения дискретных значений аналогового сигнала был использован многофункциональный измерительный комплекс (МИК).
Объектом исследования является тяговая подстанция Бискамжа и межподстанционные зоны Абаканской дистанции электроснабжения Красноярской железной дороги. Для получения дискретных значений также был использован МИК.
При проведении эксперимента в лаборатории для моделирования напряжения была использована испытательная система «РЕТОМ-41М» [46]. Данная система включает в себя следующие компоненты:
– испытательный прибор РЕТОМ-41М; – персональный компьютер; – программное обеспечение. На рисунке 4.1 приведена «РЕТОМ-41М». структура испытательной системы
ЦАП Л интерфейсный модуль На ЭВМ задаются необходимые режимы работы, после чего рассчитываются и вырабатываются цифровые выборки токов и напряжений. Эти выборки предаются в «РЕТОМ-41М». Цифро-аналоговые преобразователи масштабируют поступающие цифровые выборки и формируют аналоговые сигналы напряжений.
Рисунок 4.2 – Передняя панель «РЕТОМ-41М» Одним из модулей программного обеспечения «РЕТОМ-41М» является генерирование напряжения сложной формы. В этом случае программа дает возможность запрограммировать сигнал каждого канала по формуле:
Программа генерирования сигналов сложной формы позволяет создавать напряжения, представляющие собой сумму различных синусоидальных составляющих, каждая из которых описывается амплитудой, частотой и фазой.
Все основные параметры работы программы задаются в режиме настройки гармоник. С помощью данного режима можно настроить до 10 гармоник.
Для получения дискретных значений напряжения был использован МИК. Структурная схема МИК приведена на рисунке 4.3.
А. б преобразователь С ) С Рисунок 4.3 – Структурная схема МИК
Входы напряжения МИК подключаются напрямую к цепям 100/220/380 В или к трансформаторам напряжения, входы тока подключаются с помощью токовых клещей типа Fluke i5s в выходную цепь трансформаторов тока. Сигналы напряжений подаются на входной нормализатор, который изменяет их величины до требуемых значений и через аналоговый мультиплексор поступают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). С выхода АЦП цифровые сигналы передаются на вход цифрового сигнального процессора, выполняющего первичную обработку информации, а с него по интерфейсу USB на компьютер. Мультиплексор, АЦП и ЦСП входят в состав единого блока – восьмиканального АЦП типа USB-3000. Для обеспечения питания МИК используется напряжение 5 В от интерфейса USB или от внешнего блока питания. Внешний вид МИК приведен на рисунке 4.4. Многофункциональный измерительный комплекс: токовые клещи, измерительный модуль, переносной компьютер Далее полученная выборка данных обрабатывалась на ЭВМ в среде пакета Matlab. Схема эксперимента представлена на рисунке 4.5. В ходе первого эксперимента в лаборатории было задано напряжение с одной гармоникой с частотой равной 49,85 Гц. Эксперимент был проведен 100 раз и были вычислены средняя частота, амплитуда и фаза гармоники напряжения тремя методами (второй метод Квина, модернизированный метод корреляционных функций и быстрый метод корреляционных функций). На рисунке 4.6 показано окно «Осциллоскоп» для первого эксперимента. Здесь можно выбрать канал АЦП, частоту АЦП, частоту канала, В/деление, Время/деление. Рисунок 4.6 – Окно «Осциллоскоп» (эксперимент №1 в лаборатории) На рисунке 4.7 показано окно «Регистратор». Здесь можно выбрать общее число отсчетов, время сбора информации, имя файла, в который будет записана информация по сигналу. Рисунок 4.7 – Окно «Регистратор» На рисунке 4.8 представлены графики напряжения, которые получились в результате восстановления исследуемого сигнала различными методами. На рисунке 4.9 представлены графики параметра смещения результатов, полученных различными методами, от исследуемого сигнала. В данном случае смещение определялось как среднее значение модуля разности величины исследуемого и восстановленного сигналов в конкретный момент времени. Для рассмотренных методов была определена величина среднеквадратичного отклонения, максимальное значение которой представлена в таблице 4.1. Графики смещения на рисунке 4.9 для быстрого метода корреляционных функций, метода по ГОСТу и модифицированного метода корреляционных функций практически сливаются.
