Содержание к диссертации
Введение
1 Основные электрические параметры изоляции и методы их контроля 10
1.1 Изоляция кабельных линий и ее основные электрические параметры 10
1.2 Физические процессы в изоляции при эксплуатации кабельных линий 18
1.3 Основные способы контроля электрических свойств изоляции кабельных линий 30
Выводы по первой главе 41
2 Математические модели изменения электрических свойств изоляции кабельных линий 42
2.1 Основные факторы, влияющие на изменение электрических свойств изоляции кабельных линий 42
2.2 Математическая модель определения состояния изоляции кабельных линий 47
2.3 Разработка системы нейро-нечеткого вывода для оценки интенсивности процесса старения изоляции 74
Выводы по второй главе 79
3 Автоматизированный комплекс контроля кабельных линий 81
3.1 Концептуальная модель автоматизированного комплекса контроля кабельных линий 81
3.2 Построение и работа нечеткой системы оценки состояния изоляции 90
3.3 Применение вейвлет-преобразований для обработки токовых сигналов 98
Выводы по третьей главе 112
4 Исследования работы аппаратно-программного комплекса 113
4.1 Определение температур нагрева изоляции кабельных линий 113
4.2 Оценка состояния изоляции кабельных линий на основе применения нечеткой нейронной сети 127
4.3 Требования к разработке прототипа программного комплекса 135
4.4 Проверка адекватности модели оценки состояния изоляции на основе нечеткой логики 141 Выводы по четвертой главе 145
Заключение 146
Список принятых сокращений 148
Список использованных источников 149
- Физические процессы в изоляции при эксплуатации кабельных линий
- Математическая модель определения состояния изоляции кабельных линий
- Применение вейвлет-преобразований для обработки токовых сигналов
- Требования к разработке прототипа программного комплекса
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время значительная часть
энергооборудования выработала срок эксплуатации, определенный согласно
нормативным документам, и используется на пределе своих возможностей, поэтому разработка системы оценки технического состояния энергетического оборудования электрических станций, подстанций и электрических сетей является актуальной задачей.
Актуальность темы исследования обусловлена острой потребностью перехода к системе обслуживания оборудования по его техническому состоянию, а не на базе системы планово-предупредительных ремонтов. Главным недостатком системы планово-предупредительных ремонтов является отсутствие комплексного подхода к обслуживанию электрооборудования, что может стать причиной необоснованной трудоемкости ремонтов оборудования.
Сейчас в электроэнергетической отрасли начали активно применяться информационные комплексы, обеспечивающие сбор, обработку и хранение информации c различных датчиков и систем мониторинга отдельных видов оборудования, данные с которых получают в режиме реального времени. Такая информация является достаточной и более достоверной по сравнению с данными, полученными при диагностировании выведенного из работы оборудовании, но требует автоматизации процессов обработки и анализа данных на основе использования эксплуатационного опыта, а также получения объективных оценок состояния оборудования вне зависимости от квалификации персонала.
Степень разработанности темы исследования. Изучению проблем, связанных с
оценкой технического состояния электросетевого оборудования, уделяется большое
внимание, что отражено в работах по техническому диагностированию. В России
значительный вклад в развитие методов оценки технического состояния
электросетевого оборудования внесли П. М. Сви, В. П. Вдовико, В. А. Русов, М. Ю. Львов, Б. А. Алексеев, А. Г. Овсянников, Л. А. Дарьян, В Н. Осотов и др., а в разработку современных экспертных систем на основе данных технического диагностирования энергооборудования – А. И. Таджибаев, А. Н. Назарычев, А. Ю. Хренников и др.
Для повышения надежности электроснабжения потребителей и снижения количества энергетического оборудования, в том числе и кабелей, повреждающихся при проведении профилактических испытаний изоляции повышенным напряжением, целесообразно использовать неразрушающие методы испытаний и диагностики кабелей в условиях эксплуатации. Данные методы диагностики базируются на периодических измерениях наиболее значимых характеристик изоляции.
Объект исследования. Кабельные линии городских электрических сетей, обеспечивающие передачу электрической энергии.
Предмет исследования. Методы аналитического неразрушающего контроля материалов и изделий, процессы обработки сигналов токов кабельных линий, представление результатов диагностики этих линий.
Цель диссертационной работы: повышение качества контроля состояния изоляции кабельных линий на основе разработки метода, модели и алгоритмов, обеспечивающих возможность диагностики кабельных линий, находящихся под напряжением.
Задачи исследования:
1. Разработка метода контроля состояния изоляции кабельной линии.
2. Разработка математической модели оценки состояния изоляции кабельных
линий на основе нечеткой логики.
3. Разработка математической модели определения температуры нагрева
изоляции электрооборудования.
4. Разработка алгоритмов обработки сигналов токов контролируемых линий на
основе вейвлет-преобразования.
5. Экспериментальная проверка математической модели оценки состояния
изоляции кабельных линий на основе нечеткой логики.
Новыми являются следующие результаты:
1. Метод контроля состояния изоляции кабельной линии, находящейся под
напряжением, основанный на одновременном контроле токов обратной и нулевой
последовательностей в начале и конце линии, позволяющий определять причину
возникновения этих токов, отличающийся возможностью выявления ослабления
изоляции контролируемой линии или питаемого присоединения, а также несимметрии
нагрузки.
-
Математическая модель определения температуры нагрева изоляции электрооборудования на примере кабельных линий, основанная на теории электрических цепей, позволяющая учитывать число кабелей, проложенных в одной траншее и отличающаяся учетом их взаимного теплового влияния.
-
Нечеткая математическая модель оценки степени износа изоляции электрооборудования, основанная на алгоритме Мамдани и позволяющая учитывать воздействие на нее различных факторов, отличающаяся возможностью использования исходных данных, выражаемых как количественными, так и качественными оценками.
-
Алгоритмы вейвлет-преобразования, основанные на вейвлете Морле, отличающиеся учетом конфигурации сети, что позволяет исключать высшие гармоники, кратные трем, если в рассматриваемой электрической сети отсутствуют пути их протекания.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что создана модель определения температуры нагрева изоляции, отличающаяся учетом теплового влияния проложенных рядом кабелей, находящихся в одной траншее; математическая модель на основе нечеткой логики, отличающаяся тем, что учитывает количественные и качественные факторы; алгоритмы вейвлет-преобразования информационных сигналов, отличающиеся учетом конфигурации сети, что позволяет сокращать объем вычислительных операций и объем вычислений, если рассматриваемая сеть не содержит путей протекания токов высших гармоник, кратных трем.
Результаты диссертационной работы используются в Юго-Западном
государственном университете в учебном процессе по направлениям подготовки 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника». Предложенные технические решения и теоретические разработки использованы в деятельности РЭС Курский Филиал «Юго-Западный» АО «Оборонэнерго» и АО «Курские электрические сети». Внедрение результатов работы позволит снизить ущерб, возникающий при выходе из строя технических объектов, за счет заблаговременного обнаружения возникающих дефектов.
Методология и методы исследования:
Для решения поставленных задач использованы основные положения теоретической электротехники, математической статистики, теории нечетких множеств и нейронных сетей, методы обработки цифровых сигналов.
Теоретические исследования проводились с использованием компьютерной системы научно-технических расчетов MatLab.
Соответствие паспорту специальности
Проблематика, рассмотренная в диссертации, соответствует паспорту научной специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий по пункту 1 паспорта научной специальности (Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий) и пункту 6 (Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля).
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод контроля состояния изоляции кабельной линии, находящейся под напряжением, основанный на одновременном контроле токов обратной и нулевой последовательностей в начале и конце линии, позволяющий определять причину возникновения этих токов – ослабление изоляции контролируемой линии, питаемого присоединения, а также несимметрии нагрузки.
-
Модель оценки степени износа изоляции электрооборудования на основе нечеткой логики, позволяющая учитывать воздействие на нее различных факторов, выражаемых как количественными, так и качественными оценками.
-
Модель определения температуры нагрева изоляции кабельных линий, позволяющая учитывать условия прокладки - число кабелей, лежащих в одной траншее.
-
Алгоритмы вейвлет-преобразования, основанные на применении вейвлета Морле, позволяющие исключить высшие гармоники, кратные трем, из процесса вычислений, если в рассматриваемой электрической сети отсутствуют пути их протекания.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Научные положения, рекомендации и выводы подтверждены экспериментальными исследованиями, корректным и обоснованным применением методов нечеткого и нейросетевого моделирования.
Результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях: XII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире» (Санкт-Петербург, 2015); Всероссийская молодежная школа семинар «Актуальные проблемы информационных технологий, электроники и радиотехники – 2015 (ИТЭР – 2015) » (Таганрог, 2015); III Международная молодежная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии и процессы» (Курск, 2016); III Международная молодежная научно-техническая конференция «Юность и Знания – Гарантия Успеха – 2016» (Курск: ЮЗГУ, 2016); XIII Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2016)» (Новосибирск, 2016); XX Международная научно-практическая конференция «Современные тенденции развития науки и технологий» (Белгород, 2016); Международный трансфер технологий: экология и энергоэффективность (София, Болгария, 2017), а также на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета (ЮЗГУ) с 2013 по 2017г.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования отражены в 16 научных трудах, в том числе опубликовано 2 статьи в изданиях, индексируемых в
базе данных Scopus, 5 научных работ в ведущих рецензируемых научных журналах, 3 монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка, включающего 115 отечественных и 12 зарубежных наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 15 таблиц.
Физические процессы в изоляции при эксплуатации кабельных линий
Электрическая прочность изоляции кабельных линий при длительном воздействии рабочего напряжения представляет способность данной изоляции работать без повреждений в этом состоянии в течение определенного времени или срока службы. Величину электрической прочности можно характеризовать значением приложенного напряжения или напряженности электрического поля, обеспечивающим нарушение нормальной работы изоляции в конце заданного срока службы [11, 12]. При длительной эксплуатации в кабелях неизбежно возникают процессы старения изоляции. Под действием этих процессов происходит снижение электрической прочности изоляции.
При неблагоприятных условиях снижение электрической прочности изоляции может привести к возникновению пробоя. В изоляции кабельных линий возможны три следующих вида пробоя.
Электрический пробой. Согласно ГОСТ 21515-76 он представляет собой пробой, который возникает вследствие ударной ионизации или разрыва связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля [11].
Этот вид пробоя создается ускоренным движением свободных электронов, присутствующих в изоляции. В твердых диэлектриках, к которым относится изоляция кабелей, одна часть электронов связана с отдельными атомами, а другая часть – с группами атомов [13]. Наиболее слабые связи электронов с атомами существуют в тех местах, где имеется структурная неоднородность материала диэлектрика.
В изоляционных материалах существует также небольшое количество свободных электронов. Характеристикой наличия свободных электронов служит значение тока проводимости или сопротивления изоляции при приложенном к ней постоянном напряжении. При повышении температуры и напряженности электрического поля энергия свободных электронов возрастает. При некотором значении напряженности электрического поля в изоляции возникает резкое возрастание количества свободных электронов в материале изоляции, что приводит к возникновению электрического пробоя [14].
Электрический пробой изоляции создается процессами движения электронов под действием сильного электрического поля. Сначала происходит лавинообразное увеличение концентрации свободных электронов и образование канала пробоя в наиболее ослабленном месте. Характерным признаком электрического пробоя изоляции в равномерном электрическом поле является слабо выраженная зависимость напряженности электрического поля, при котором происходит пробой, от температуры окружающей среды, толщины изоляции и времени воздействия приложенного рабочего напряжения [15].
Первоначально возникновение электрического пробоя изоляции объяснялось механическим разрушением структуры диэлектрика и ударной ионизацией ионами [16], но эти теории не в полной мере соответствуют экспериментальным данным. Теория ударной ионизации электронами была разработана в трудах таких специалистов, как У. Франц [17], Г. Фрелих [18], А. В. Воробьев [19] и др.
Разработанные согласно этим теориям эмпирические и полуэмпирические уравнения, характеризующие электрическую прочность изоляции, делятся на две группы.
К первой группе относятся аналитические выражения для вольт-секундной характеристики изоляции, по которым определяется величина времени воздействия напряжения или же значение пробивного напряжения, в качестве примера по следующей формуле определяется пробивное напряжение [13]:
Полуэмпирические уравнения второй группы позволяют определять электрическую прочность диэлектриков в зависимости от таких факторов, как его структура, энергетические и другие характеристики. Эти формулы, как правило, дают адекватные результаты для изоляционных материалов одного структурного типа. Для определения функциональной связи между электрической прочностью изоляционных материалов и их свойствами Ю.Н. Вершининым предложено использовать энергию образования проводящего канала в этих материалах [13]. Это мнение основывается на предположении, что действующий механизм возникновения и развития пробоя в изоляции состоит в переходе вещества диэлектрика из исходного состояния в состояние, схожее по своему составу и свойствам плотной газовой плазме.
Он показал, что это превращение вещества происходит в таких условиях, когда рассматриваемый процесс может рассматриваться как адиабатический и на этой основе определяется степень участия в процессе пробоя различных типов носителей электрических зарядов (электронов и дырок). Развитие теории пробоя на базе этих предположений позволило в конечном итоге определить величину работы носителей зарядов на образование проводящего канала с учетом термодинамических характеристик данных процессов, и в итого сформулировать критерий возникновения пробоя.
На основе такого критерия Ю.Н. Вершининым были предложены уравнения электрической прочности изоляции при положительной и отрицательной полярности приложенных к ней импульсов напряжения.
Электрический пробой кабельной изоляции отличается очень малым временем своего развития. Длительность пробоя составляет обычно не более 10"7 - 10 8 с, процесс характерен при своем развитии в начальное время существования возникновением разрушения изоляции в очень узком проводящем канале [21].
Электрический пробой кабельной изоляции по своей физической природе связан с развитием чисто электронных процессов. В ходе его возникновения и существования из немногих электронов в начале существования пробоя в материале изоляции появляется электронная лавина. Возникновение электронных лавин неизбежно сопровождается ионизацией атомов изоляции, которая резко усиливает создание проводящего канала.
Ускоренные полем электроны, двигающиеся в проводящем канале, при столкновениях с атомами передают свою энергию узлам кристаллической решетки диэлектрического материала и интенсивно разогревают ее вплоть до образования местного плавления. Это сопровождается возникновением значительного давления в разрядном канале, которое усиливает процессы разрушения изоляции.
В неоднородном электрическом поле электрический пробой изоляции возникает в местах с наибольшей напряженностью электрического поля, например, в местах, где токоведущие жилы имеют наибольшую кривизну. На этих участках кабелей происходит возникновение и развитие каналов электрических разрядов в изоляции. Вдоль таких каналов происходит перенос высоких значений напряженности электрического поля дальше в материал изоляции, вследствие чего канал углубляется дальше, что в итоге приводит к пробою.
Математическая модель определения состояния изоляции кабельных линий
Математическая модель представляет собой совокупность различных математических элементов, включая числа, переменные, векторы, множества, а также соответствующих соотношений между ними, которые с требуемой для проведения исследования точностью описывают свойства и поведение изучаемого объекта. Создание математической модели представляет собой синтез или составление ее из некоторых элементов тех научных дисциплин, с помощью которых будет исследоваться рассматриваемый объект. Таким образом, разрабатываемая математическая модель должна учесть различные виды воздействий на изоляцию кабельных линий.
Как показано выше, на состояние изоляции существенное влияние оказывает температура ее нагрева при протекании тока по кабельным линиям.
Для исследования теплового процесса, который имеет случайный характер, проанализируем статистические данные различных факторов нагрева: тока нагрузки, тока обратной последовательности основной частоты, токов высших гармонических составляющих, сглаженных на интервале времени t = 4T в течение периода наблюдения.
Появление токов высших гармоник обусловлено подключением ЭП с нелинейной вольтамперной характеристикой собственной проводимости, а также наличием высших гармоник питающего напряжения в узлах подключения линейной нагрузки.
Большая часть ЭП низковольтной сети, в том числе и нелинейных, представляют собой однофазную нагрузку, а сеть исполняется трехфазной с нулевым проводом. Таким образом, в нулевом проводе будут протекать токи всех высших гармоник нулевой последовательности, особенностью которых является отсутствие фазового сдвига, а также токи прямой и обратной последовательностей, вызванные неравномерной загрузкой фазных проводников при подключении к ним однофазных нелинейных ЭП [76].
Вследствие этого, помимо тепла, пропорционального значению потерь активной мощности и выделяемого в случае протекания по кабелю тока основной частоты, происходит также выделение тепла, обусловленного потерями от токов высших гармонических составляющих в фазных проводниках, и тепла от протекания тока по нулевому проводу, который возникает из-за токов высших гармоник нулевой последовательности.
В случае переменного тока имеются потери, как в жиле, где протекает ток, так в изоляции и в защитных металлических оболочках. Дополнительные потери в жилах кабеля при переменном токе объясняются поверхностным эффектом. В кабелях с большим количеством жил наблюдается дополнительное увеличение сопротивления в сравнении с сопротивлением постоянному току из-за эффекта близости, обусловленного влиянием жил друг на друга.
Электрическое сопротивление жилы на единицу длины кабеля при переменном токе определяется согласно формуле, учитывающей поверхностный эффект и эффект близости [77]
Для расчета величины потерь активной мощности на высших гармониках учитывают гармоники от 2 до 40. Для этих гармоник напряжения устанавливается ГОСТ 32144-2013 нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициентов n-х гармонических составляющих.
Будем задавать ток на высших гармониках в процентах относительно тока основной частоты. Обозначим данный коэффициент KIn.
Представим составляющие формулы (2.24), используя коэффициент KIn и значение Rn согласно [78]. Учитывая допущение, что нагрузка симметрична, а спектр гармоник в каждой из жил одинаков, по нулевому проводнику будут протекать токи высших гармонических составляющих, имеющие порядок (п = 6к - 3), а также постоянная составляющая тока, которой можно пренебречь. Также следует отметить, что величина этих токов в нулевом проводе будет в 3 раза выше по сравнению со значениями токов высших гармонических составляющих для аналогичных порядков в фазных жилах. Эти токи являются причиной потерь активной мощности в нулевом проводе, которые равны
Формула (2.29) отлична от формулы для определения потерь в кабеле (2.9) на Кдоп, т.е. коэффициент, учитывающий дополнительные потери активной мощности вследствие протекания токов высших гармонических составляющих. Значение данного коэффициента больше единицы, т.е. потери в случае протекания несинусоидального тока больше, чем при протекании тока основной частоты.
Для определения температуры изоляции жил кабеля приведем тепловую задачу к электрической и выполним последующий расчет для электрической схемы. Запишем закон, который описывает процесс передачи теплоты («тепловой закон Ома») [78]:
Чтобы определить температуру нужно выявить источники теплоты в кабеле, а также знать значения тепловых сопротивлений элементов конструкции и окружающей среды.
В стандарте [80] приведен расчет тепловых сопротивлений для кабелей различных конструкций. Однако в нем не учитывается возможность протеканий значительных токов по нулевому проводнику. Применим аналитический метод определения поправочного коэффициента, который основан на понятии эквивалентного тока, что является приведением четырех источников тепла (3 фазных жилы и ноль) к трем фазным жилам [81].
Основываясь на достаточной точности эквивалентного преобразования, воспользуемся выражениями, при помощи которых рассчитаем тепловые сопротивления в [80] для трехфазных кабелей с секторными жилами и с поясной изоляцией.
Значение теплового сопротивления между жилой и оболочкой (S1) для трехжильных кабелей с секторными жилами и поясной изоляцией определим согласно формуле
При температуре, равной длительно допустимой, для наиболее нагретой точки изоляции тепловой износ следует считать нормальным. Если длительно допустимая температура превышена, то тепловое старение изоляции будет происходить более интенсивно. При этом, чем выше температура по отношению к длительно допустимой температуре, тем сильнее будет происходить износ изоляции. Если температура превышает максимально допустимую, то это приводит к необратимому повреждению изоляции, а далее к ее пробою.
Максимальная температура изоляции силовых кабелей с учетом воздействия токов высших гармонических составляющих может быть определена по составленным тепловым схемам замещения и согласно расчету максимальной температуры жилы по выражению (2.34). Для применения данного метода требуется информация о конструктивных особенностях кабеля. Также необходимо знать реальные значения теплопроводностей всех элементов, а это при условии долговременного использования кабелей оказывается достаточно трудоемким.
Если нет информации для применения тепловых схем замещения, то следует принять при загрузке кабеля в номинальном режиме и отсутствии высших гармонических составляющих величину наиболее нагретой точки равной длительно допустимой температуре, при этом спектр гармоник тока считать неизменным. Далее в номинальном режиме загрузки кабеля и произвольном несинусоидальном режиме согласно формуле (2.34) запишем систему уравнений
Применение вейвлет-преобразований для обработки токовых сигналов
В настоящее время для электрических сетей характерно постоянное увеличение содержания среди потребителей нелинейных электроприемников, причем данный процесс происходит как для промышленной нагрузки, так и для других ее видов. При анализе работы систем электроснабжения следует учитывать непрерывное возрастание объемов применения оборудования с вентильными выпрямителями и инверторами, различными встроенными импульсными источниками питания с широтноимпульсной модуляцией, силовыми однофазными и трехфазными источниками бесперебойного питания. Также современными исследованиями режимов работы электрических сетей с напряжением 0,38/0,22 кВ [111] установлено, что для коммунально-бытовой нагрузки также становится все более характерной значительная несинусоидальность сетевого напряжения, что обусловлено использованием импульсных блоков питания в различных бытовых электроприборах.
Потребители с нелинейными вольтамперными характеристиками потребляют из сети несинусоидальные токи при питании их синусоидальным напряжением. Токи высших гармоник, протекая по элементам электрической сети, создают падения напряжения с частотой, отличной от основной частоты, в сопротивлениях данных элементов. Эти падения напряжения складываются с основной синусоидой напряжения, создавая тем самым искажения формы кривой напряжения в электрических сетях.
Как указывалось во втором разделе, появление токов высших гармоник приводит к различным негативным последствиям, в том числе возникновению дополнительных потерь в элементах электрических сетей и их повышенному нагреву. Поэтому контроль токов высших гармоник является актуальной задачей. Но при этом следует учитывать, что нагрузки в электрических сетях являются постоянно изменяющимися, что в итоге приводит к нестационарности и непериодичности обрабатываемых различными средствами измерения токовых сигналов, содержащих кроме высших гармонических составляющих, также интергармонические и субгармонические составляющие [112].
Известны следующие причины возникновения интергармоник [112]:
- переходные режимы, сопровождающиеся изменениями токов и напряжений в электрической сети, эти режимы носят случайный характер и зависят от состава и характера электрических нагрузок.
- асинхронная коммутация полупроводниковых устройств различных статических преобразователей, особенно преобразователей частоты и устройств с широтно-импульсной модуляцией.
Раньше принималось, что суммарная амплитуда интергармоник в большинстве случаев не превышает 0,5% от значения амплитуды основной частоты, поэтому этим гармоникам не придавалось особое значение [113]. Но при возникновении резонансов в электрических сетях могут достигаться и намного большие значения – при работе трехфазного или однофазного мостового шестипульсного непосредственного преобразователя частоты возникающий уровень интергармоник в потребляемом от электрической сети токе может превосходить уровень высших гармоник в 12 раз [112].
В настоящее время обработка токовых сигналов при контроле работы электрических сетей выполняется с применением различных цифровых методов, основанных на известном ДПФ [114–116]. Для работы ДПФ используются дискретные сигналы, определяемые в дискретные моменты времени и представляемые последовательностями значений. Эти дискретные сигналы формируются при осуществлении электрических измерений выполнением преобразования от аналоговой формы к цифровой.
Затем с цифровыми сигналами осуществляются все необходимые операции, в том числе спектральный анализ на основе ДПФ. Непрерывные время и частота в этом процессе представляются дискретными величинами, а операция непрерывного интегрирования заменяется операцией дискретного суммирования. При выполнении ДПФ по теореме Котельникова-Шеннона строго определяется минимальное количество отсчетов или частота дискретизации, чтобы можно было эффективно выполнить обратное преобразование или же получить достаточно точно исходный сигнал.
По теореме Котельникова – Шеннона сигнал, выраженный в цифровой форме можно преобразовать в исходный или аналоговый вид без потери точности только тогда, когда интервал межу соседними значениями не превышает половины периода самого высокочастотного колебания, содержащегося в спектре сигнала.
В ГОСТ 32144-2013 номер максимальной учитываемой высшей гармоники составляет 40. Поэтому допустимый интервал между соседними отсчетами не должен быть больше Таким образом, за период сетевого напряжения следует выполнить Nmin=0,02/0,00025=80 отсчетов за период.
В общем виде на практике процесс ДПФ используется редко, потому что для применения этого преобразования для последовательности, состоящей из N элементов необходимоя выполнить N2 операций. При длине обрабатываемого массива цифровых отсчетов порядка тысячи и более применять алгоритмы дискретного спектрального анализа затруднительно (особенно в реальном времени) [112].
Для преодоления этого затруднения может применяться модифицированный алгоритм БПФ. Значительно уменьшить число выполняемых операций здесь удается за счет того, что обработка входного массива сводится к нахождению ДПФ-массивов с меньшим числом элементов, этот алгоритм приведен в [117].
При применении этого метода БПФ следует учитывать, что число отсчетов должно составлять целую степень двойки (N=2p, где р – целое число). Это объясняется тем, что одной из операций, входящей в алгоритм БПФ, является последовательное деление интервала вычисления ДПФ на две части. Таким образом точно вычислить БПФ возможно лишь в случае, если число отсчетов в сигнале равно 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, и т. д. Когда данное условие не выполняется, приходится дополнять сигнал некоторым количеством отсчетов, имеющих нулевое значение.
Это алгоритм БПФ занимает ведущее положение среди алгоритмов спектрального оценивания, применяемых в стандартных измерительных системах, находящихся в эксплуатации в настоящее время. Однако алгоритмы Фурье имеют несколько источников методических погрешностей, которые приводят к снижению точности результатов гармонического анализа и к их качественному искажению.
Таким образом, с позиции проведения анализа произвольных сигналов и функций в частотной области и точного восстановления после преобразований можно отметить ряд недостатков ДПФ (БПФ) в целом.
1. Ограниченная информативность анализа нестационарных сигналов и практически полное отсутствие возможностей анализа их особенностей (сингулярностей), т.к. они не различают появление частот в разные моменты времени. Например, АЧХ для стационарного сигнала, являющегося суммой двух синусоид с разными частотами и существующих в одно и то же время (параллельная сумма) и для сигнала, являющегося суммой тех же синусоид, существующих в разное время, поочередно, (последовательная сумма), будет одинаковой.
2. С помощью преобразования Фурье можно получить глобальные сведения о частотах исследуемого сигнала, так как базисные функции преобразования определены на достаточно большом временном интервале и не дают представления о локальных свойствах сигнала при быстрых временных изменениях его спектрального состава. Классическое преобразование Фурье в принципе не имеет возможности анализировать частотные характеристики сигнала в произвольные моменты времени.
3. Возникновение эффекта Гиббса. Эффект Гиббса проявляется в виде «паразитных» характерных колебаний реконструированной функции (полученной в процессе обратного преобразования) в области точки разрыва исходной функции (обрыв ряда).
Одним из решений данной проблемы может быть оконное преобразование Фурье с движущейся по сигналу оконной функцией.
ОПФ основывается на том, что нестационарный сигнал представляется в виде кусочно-стационарного сигнала. Причем, если участок стационарности очень мал, используется окно, достаточно узкое для того, чтобы сигнал внутри него выглядел стационарным. При ОПФ сигнал делится на отрезки («окна»), в пределах которых его можно считать стационарным.
Для этого к сигналу применяется оконная математическая функция w. Ее ширина должна быть равна ширине окна. Далее осуществляется перемножение функций окна и сигнала, то есть происходит свертка сигнала по функции w, которая называется базисом.
Требования к разработке прототипа программного комплекса
Организация и выполнение проектирования информационных систем имеет стадии и этапы, определенные в нормативных документах, в частности, ГОСТ 34.601-90. В зависимости от сложности и структуры объекта, для которого разрабатывается конкретная ИС, допускается производить объединение последовательных этапов и даже исключать некоторые из них на любой стадии выполнения проектирования рассматриваемой системы.
В нормативной документации на первой стадии проектирования ИС должны быть сформированы требования к разрабатываемой системе.
В ходе выполнения диссертационного исследования были разработаны технические требования к составу и элементам современных информационных систем мониторинга и управления энергопотреблением. Данные требования можно разделить на общие и определенные.
Общие требования.
1. Гибкость. Разработанная система способна к адаптации и дальнейшему развитию, подразумевают возможность приспособления информационной системы к новым условиям, новым потребностям организации. В данном случае под новыми условиями и потребностями подразумевается изменение числа и периодичности контролируемых параметров (появление новых потребляемых энергоресурсов), изменение характеристик зданий и сооружений, ввод в эксплуатацию новых зданий и сооружений, вывод зданий из эксплуатации.
2. Наджность. Требование наджности обеспечивается созданием резервных копий хранимой информации, выполнения операций протоколирования, поддержанием качества каналов связи и физических носителей информации, использованием современных программных и аппаратных средств. Особенно важным является к надежности аппаратных и программных компонентов и качество каналов связи, так как по ним приходят сведения о процессе энергопотребления. Что касается надежности аппаратных и программных компонентов, то это подробно рассмотрено в определенных требованиях.
3. Эффективность. Система является эффективной, если с учтом выделенных ей ресурсов она позволяет решать возложенные на не задачи в минимальные сроки. Эффективность системы обеспечивается оптимизацией данных и методов их обработки (метод выбора, методы тории нечетких множеств), применением оригинальных разработок, идей, методов проектирования.
4. Безопасность. Под безопасностью, прежде всего, подразумевается свойство системы, в силу которого посторонние лица не имеют доступа к информационным ресурсам организации, кроме тех, которые для них предназначены. Требование безопасности обеспечивается современными средствами разработки информационных систем, современной аппаратурой, методами защиты информации, применением паролей и протоколированием, постоянным мониторингом состояния безопасности операционных систем и средств их защиты.
Определенные требования
1. Требования к системе в целом – программа представляет собой полноценное приложение, которая выполняет распределение мероприятий. Приложение подходит для решения задач по энергосбережению и выполняет следующие функции, приведенные в п. 4.1.
2. Требования к надежности аппаратных и программных компонентов – в случае программной ошибки необходимо произвести перезапуск исполняемого файла программы. При возникновении аппаратных ошибок произвести перезапуск ЭВМ и операционной системы.
3. Требования к режимам функционирования системы – Для большинства автоматизированных систем определены следующие режимы функционирования:
- Нормальный режим функционирования;
- Аварийный режим функционирования.
Нормальный режим АС является основным режимом функционирования. В нормальном режиме функционирования системы:
- программное обеспечение и технические средства системы обеспечивают возможность функционирования в течение рабочего дня (с 09:00 до 18:00) пять дней в неделю;
Аварийный режим функционирования системы характеризуется отказом одного или нескольких компонент программного и (или) технического обеспечения. В случае перехода системы в предаварийный режим необходимо:
- завершить работу всех приложений, (рекомендуется выполнить сохранение данных);
- выключить ЭВМ или произвести их перезапуск.
4. Требования к пользовательскому интерфейсу – Компоненты предоставляют удобный интерфейс для возможности просмотра отображаемой информации. Взаимодействие пользователей с прикладным программным обеспечением, входящим в состав системы должно осуществляться посредством визуального графического интерфейса (GUI). Интерфейс системы должен быть понятным и удобным. Навигационные элементы выполнены в удобной для пользователя форме. Интерфейс рассчитан на преимущественное использование манипулятора типа «мышь», то есть управление программой осуществляется с помощью набора экранных меню, кнопок, значков и т.п. элементов. Клавиатурный режим ввода используется главным образом при заполнении и/или редактировании текстовых и числовых полей экранных форм.
Все надписи экранных форм, а также сообщения, выдаваемые пользователю (кроме системных сообщений) на русском языке.
5. Требования по диагностированию системы – При возникновении аварийных ситуаций, либо ошибок в программном обеспечении на экран отображается служебная информация, необходимой разработчику для идентификации проблемы.
6. Требования к численности и квалификации персонала системы и режиму его работы – Численность и квалификация персонала системы определяются структурой и конфигурацией системы спроектированы и реализованы с целью минимизации количественного состава обслуживающего персонала. Пользователи системы должны иметь опыт работы с персональным компьютером на базе операционных систем Microsoft Windows на уровне квалифицированного пользователя и свободно осуществлять базовые операции в стандартных Windows. Рекомендуемая численность для эксплуатации АС: Администратор – 1 штатная единица; Пользователь (оператор) – число штатных единиц определяется структурой предприятия.
7. Показатели назначения – программа обеспечивать возможность одновременного запуска в различных структурных подразделениях. Работу с данной программой могут осуществлять одновременно не более 10–12 пользователей. Среднее количество обрабатываемых запросов в час не более 20–40. При необходимости разрабатываемая программная система может быть расширена для увеличения, как числа пользователей, так и количества обрабатываемых запросов.
8. Требования к надежности и защите информации – Информация представляется в виде отдельных файлов данных, содержащих табличное представление значений, при работе системы должны создаваться резервные копии этих файлов через определенное время, значение которого определяется в каждом конкретном случае при разработке и внедрении системы.
Разработка программного комплекса должна производиться на модульной основе. Модульное проектирование обеспечивает декомпозицию сложной программы.
Модуль – это последовательность логически взаимосвязанных фрагментов задачи, оформленных как отдельная часть программы. При этом разрабатываемые программные модули должны обладать следующими свойствами:
- на созданный модуль можно ссылаться в программе (т.е. обращаться к нему) по имени, в том числе и из других модулей;
- по завершению своей работы модуль должен возвращать управление тому модулю, который его вызывал;
- модуль должен иметь один программный вход и программный выход;
- модуль должен иметь относительно небольшой размер, обеспечивающий его наглядность и возможность контроля и поиска ошибок в программном тексте.