Введение к работе
Актуальность работы. Развитие электроэнергетики страны связано как с внедрением новых типов и улучшением характеристик существующего энергетического оборудования, служащего для производства, передачи, распределения и использования электроэнергии, так и с разработкой и практическим применением новых систем управления, автоматического регулирования, оперативного контроля их параметров с улучшенными характеристиками.
Разработка и использование новых средств измерительной техники, обладающих высокими метрологическими характеристиками и функциональными возможностями, открывает новые перспективы для повышения надежности эксплуатации энергетического оборудования, что позволяет поддерживать бесперебойное энергоснабжение потребителей, обеспечивать необходимое качество электроэнергии, максимальную экономичность производства, передачи и распределения электроэнергии.
В настоящее время около 15% всей производимой электроэнергии приходится на долю гидроэлектростанций (ГЭС). ГЭС является энергообъектом повышенной сложности и высококачественное ведение технологического процесса здесь возможно только с использованием АСУ ТП.
Одним из основных элементов гидроагрегатов ГЭС является гидрогенератор - генератор электрического тока, приводимый во вращение гидротурбиной.
Большое число измеряемых и контролируемых параметров гидрогенератора требует создания информационно-измерительных систем (ИИС) его электрических параметров, комплексно решающих задачу многоканального и многофункционального измерения основных электрических параметров с высокой точностью и быстродействием, а также осуществляющих предупредительную сигнализацию при выходе параметров за допустимые пределы и передачу информации в АСУ ТП.
Контролируемыми электрическими параметрами гидрогенератора являются среднеквадратические значения напряжения и тока, активная и реактивная мощности, которые принято называть интегральными характеристиками периодических сигналов (ИХПС), а также постоянные напряжение и ток.
В создании теоретических основ построения и практической реализации средств измерения ИХПС большой вклад внесли отечественные ученые Волгин В.Л., Зыкин Ф.А., Кизилов В.У., Куликовский К.Л., Батищев В.И., Мелентьев В.С., Орнатский П.П., Попов В.С., Туз Ю.М., Шахов Э.К., Шляндин В.М. и др.
Однако особенности измерения электрических параметров гидрогенератора, особенно при работе в режимах синхронных компенсаторов реактивной мощности и длительных несимметричных нагрузок, предъявляют повышенные требования к точности и широкополосности средств измерений, а выявление моментов выхода параметров за допустимые пределы требует сокращения времени измерения.
Так как измерительные сигналы в цепях гидрогенератора характеризуются незначительными искажениями формы, то для измерения их параметров с высокой точностью и быстродействием могут быть использованы аппроксимационные методы и системы измерения интегральных характеристик гармонических сигналов. Привлечение аппроксимационного подхода дает возможность системного объединения через математическую модель априорной информации структур и характеристик средств и методов измерения, а также их метрологического анализа.
Привлечение априорной информации о форме сигнала позволяет заменить интегральные преобразования арифметическими операциями с точечными оценками, что дает возможность существенного сокращения времени обработки измерительной информации.
Таким образом, актуальной является задача разработки аппроксимационных методов и систем контроля электрических параметров гидрогенератора в различных режимах работы с высокими метрологическими характеристиками.
Работа выполнялась в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 11-08-00039 «Методология синтеза и анализа оптимальных аппроксимационных методов и систем измерения параметров квазидетерминированных сигналов»; госбюджетной фундаментальной НИР «Создание методологических основ синтеза и анализа аппроксимационных методов и систем измерения и контроля параметров квазидетерменированных сигналов» (№ госрегистрации 01200951715); хоздоговорный НИР № 243/05 "Разработка и изготовление информационно-измерительной системы электрических параметров силовых трансформаторов (при приемо-сдаточных испытаниях)" (дополнительное соглашение № 5).
Целью работы является разработка и исследование аппроксимационных методов измерения ИХПС и создание на их основе информационно-измерительной системы электрических параметров гидрогенераторов с высокими метрологическими характеристиками, позволяющий автоматизировать процесс контроля параметров.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
- анализ характеристик гидрогенератора в нормальном и аварийном режимах работы;
- анализ электрических параметров гидрогенератора в нормальном режиме, в режимах синхронных компенсаторов реактивной мощности и длительных несимметричных нагрузок и формирование требований к разрабатываемым методам и средствам измерений;
- анализ существующих аппроксимационных методов и систем измерения ИХПС;
- разработка новых аппроксимационных методов и средств измерения (СИ) интегральных характеристик гармонических сигналов (ИХГС) с высокими метрологическими характеристиками;
- анализ погрешностей разработанных методов и средств измерения ИХГС;
- разработка алгоритмического и программного обеспечения ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов;
- разработка и внедрение ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов;
- экспериментальное исследование ИИС контроля электрических параметров гидрогенераторов в различных режимах работы.
Основные методы научных исследований. В работе использованы положения теории измерений, численного анализа, теории электрических цепей и сигналов, методов цифровой обработки сигналов, методов аналитического и имитационного моделирования.
Научная новизна. Полученные в диссертационной работе результаты расширяют и углубляют теоретические представления в области создания методов и СИ интегральных характеристик сигналов и построения ИИС электрических параметров гидрогенераторов. В диссертации получены следующие основные результаты:
1. Новый метод определения интегральных характеристик по мгновенным значениям гармонических сигналов, равноотстоящих от перехода одного из сигналов через ноль, в котором в отличие от методов, обеспечивающих начало измерения в произвольный момент времени, не требуется дополнительного анализа мгновенных значений сигналов. Это позволяет увеличить точность и сократить время определения интегральных характеристик.
2. Новый метод определения интегральных характеристик по мгновенным значениям гармонических сигналов, сдвинутым в пространстве, отличающийся от известных методов, использующих формирование дополнительных сигналов тем, что при его реализации используются переходы сигналов через ноль. Это позволяет исключить частотную погрешность и погрешность, обусловленную отличием углов сдвига фаз фазосдвигающих блоков в каналах напряжения и тока.
3. Методика анализа погрешности разработанных методов, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели, которая позволяет оптимально выбирать параметры измерительного процесса с точки зрения точности и времени измерения.
4. Методика анализа влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения интегральных характеристик гармонических сигналов, которая обеспечивает возможность разработки высокоточных и эффективных средств измерения, реализующих предложенные методы.
5. Структурная схема ИИС электрических параметров гидрогенераторов с высокими метрологическими характеристиками, позволяющей автоматизировать процесс контроля параметров в различных режимах работы гидрогенератора, реализующая разработанные методы определения интегральных характеристик гармонических сигналов, а также ее алгоритмическое и программное обеспечение.
Практическая ценность.
1. Разработана методика и получены аналитические выражения для расчета погрешности измерения основных интегральных характеристик, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели, позволяющие оптимально выбирать параметры измерительного процесса.
2. Разработана методика и получены аналитические выражения для оценки влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения ИХГС, что обеспечивает возможность создания высокоточных и эффективных средств измерения.
3. Разработанная ИИС обеспечивает высокое быстродействие процесса измерения и позволяет автоматизировать процесс контроля параметров при различных режимах работы гидрогенератора.
4. Разработана методика и получены аналитические выражения для инженерного расчета метрологических характеристик разработанной системы.
Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение при разработке и внедрении ИИС электрических параметров гидроагрегата в филиале ОАО «РусГидро» — «Жигулевская ГЭС» и ИИС электрических параметров силовых трансформаторов (при приемо-сдаточных испытаниях) в ООО «Тольяттинский трансформатор» (г. Тольятти). Разработанные методики оценки погрешностей внедрены в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 200106 - "Информационно-измерительная техника и технологии".
Апробация работы. Разделы и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 международных и Всероссийских конференциях, в том числе на Всероссийской межвузовской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2006 г.), IV и V международных научно-технических конференциях «Современные информационные технологии» (Пенза, 2006 г., 2007 г.), V международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007 г.), I Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы информационной безопасности при противодействии криминалу и терроризму. Теория и практика использования аппаратно-программных средств» (Самара, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009 г.), VIII и IХ Всероссийских межвузовских научно-практических конференциях «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2009 г., 2010 г.), международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2010)» (Самара, 2010 г.), VII Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2010 г.), международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации. Шляндинские чтения – 2010» (Пенза, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 97 наименований, общим объемом 176 страниц печатного текста и 4 приложений на 20 страницах.
