Введение к работе
Актуальность проблемы. Без автоматизации различных процессов производства и эксплуатации, без автоматического контроля и управления технологическими процессами, процессами контроля работоспособности и качества изготовления невозможно уже представить любое производство. Современный этап автоматизации опирается на революцию в электронно-вычислительной технике и ее элементной базе. Применение современных средств вычислительной техники для решения задач определения параметров сигналов переменного тока (ОПТ), характеризующих различные состояния в контролируемых объектах, либо самом производстве, повышает качество продукции или эффективность функционирования и позволяет перейти на новый качественно более высокий уровень развития.
Вычисление параметров ОПТ, таких как среднеквадратическое значение (СКЗ), активная мощность (AM) и другие находит применение в различных областях: при анализе качества электроэнергии в сетях как промышленных,так и автономных объектов; при управлешш запуском и контролем за работой электрогенераторов; в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем; в системах контроля качества асинхронных электродвигателей; при контроле технологических параметров бурения электробурами и в ряде других областей.
Анализируемые сигналы характеризуются рядом свойств. Это квазипериодичность входных сигналов, определяемая повторяемостью во времени и незначительным изменением периода этого повторения, составляющим в худшем случае 10%-20%. Значение же его вели'шны моиот колебаться от единиц до десятков милисекунд для разных объектов. Это и полигармоничность сигналов, амплитуда и фаза отдельных гармоник которых могут меняться в произвольные моменты времени.
При этом к устройствам определения параметров ОПТ предъявляются высокие требования по точности и быстродействию. Так, повышение точности определения мощности электроагрегата в 300 Мвт на 0,1% позволяет снизить издержки, обусловлешше перерасходом топлива, на 90 тысяч рублей ежегодно в ценах восьмидесятых годов. Повышение же наряду с этим и быстродействия, в устройствах про-тивоаварийной автоматики например, позволит более эффективно
загрузить линии элекропередачи. Одновременно келательно чтобы оти устройство обладали нивкой стоимостью, высокой надежность» функционирования и требовали мвлых аппаратных затрат.
Вопросам построения вычислителей параметров СПТ посвящен целый ряд монографий и публикаций. Однако, в большинстве работ рассматриваются время-импульсные или аналого-цифровые вычислителя, которые обладают аппаратной простотой и имеют низкую стоимость. Одновременно, всо авторы подчеркивают перспективность цифровых вычислителей параметров СПТ, выделяя их быстродействие, высокую точность, возможность одновременной обработки нескольких сигналов и вычисления многих параметров параллельно. С другое стороны, отмечают их аппаратную сложность и высокие требования по быстродействию к отдельным элементам.
Бурное развитие в последние года цифровой техники и ее элементной бавы, появление однокристальных микроэвм (ОМЭВЫЬ БИС ОЗУ, ПЗУ и различных адаптеров, а такке новые разработки высокоточных и скоростных линейных преобразователей АЦП и ЦАП можеі повволить решить задачу вычисления параметров СПТ цифровыми устройствами, обладающими небольшой аппаратной сложностью. Попытш решить вту проблему чисто инженерными методами приводят к необходимости применения слокных быстродействующих даже в современном понятии блемаятов.что в итоге снижает и надежность устройсті
Целью работы является исследование и разработка, способої улучшения характеристик цифровых вычислителей параметров ОПТ испольвующих равномерную дискретизацию входных сигналов по времени (ЦВРД).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи определение теоретических возмояностей цифровых вычислителей па раметров СПТ при идеальных характеристиках всех его элементов разработка обобщенной структурной схемы многоканального ИВРД выявление структурных возможностей распараллеливания процессе; вдчмеления с целью приближения к теоретическим предельным харзк териетнкам ЦЭРД; исследование и разработка элементов и узло ЦВРД с улучшенными характеристиками и методов, позволяющих пере распределять вычислительные ресурсы между отдельными функцію вальними блоками; анализ погрепностей ЦВРД, который позволяв предварительно оценить' точность устройства и кг которого следуі: схемныеМЕвная;\'оеспечивЕшае повышение точности; ексг-р/мбн
тальнов и модельное исследование характеристик ЦВРД.
Методы исследования. Научные результаті/, полученные в диссертационной работе, обоснованы математическими выводами на основе классических методов дифференциального и интегрального исчисления, теории гармонического анализа и синтеза. Также применены аппарат теории надежности и теории погрешностей и елементи теории моделирования. Основные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования на ЦВМ и экспериментальных исследований.,
Научная новизне В процессе решения поставленных задач получены следущие результаты: разработана обобщенная структурная схема ЦВРД, варианты которой по представленному алгоритму (методике) могут быть реализованы применительно к различным задачам; предложены методы повышения быстродействия и надежности многоканальных ЦВРД, а также разработаны структуры,реализущие их путем распараллеливания процессов вычисления; разработан ряд оригинальных структурных решений отдельных узлов ЦВРД; выполнен анализ погрешностей устройств данного класса, позволивший предложить метода повышения точности как отдельных узлов ЦВРД, так и всей структуры в целом при неизменных погрешностях ее элементов.
Практическая ценность. Проведенные исследования показали реализуемость ЦВРД для вычисления всех рассматриваемых в работе параметров одной сети промышленной частоты при числе отсчетов мгновенных значений в периоде равном 16 и приведенной погрешности 0,2%- 0,5Ж на 4-10 интегральных микросхемах.
Выполненный анализ погрешностей позволил получить приближенные оценки и точные выражения для отдельных составлявших. Это делает возможным варьирование типами микросхем в окончательной практической разработке с целью изменения точности или перераспределения погрешностей между отдельными блоками.
Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы при разработке многоканального ЦВРД для вычисления параметров трех трехфазных сетей и контроля за состоянием как в этих сетях, так и в сигналах управления энергетическими устройствами. Многоканальный преобразователь был разработан на кафедре вычислительной техники ЛЭТИ в рамках заказа на научно-исследовательскую работу от ВНИИ электроизмерительных приборов по программам ' "Микропроцессоры и микро-ЭВМ" и "Развитие системных
средств в XI пятилетке".
Отдельные элементы исследования применялись в устройствах вычисления иных параметров с аналогичными входными сигналами, а также в случаях, когда разрабатываемые устройства имали подобную ЦВРД структуру, что отражено в. соответствующих актах о внедрении результатов диссертационной работы. Общий экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 86.4 тысячи рублей в год в ценах до 1 января 1990 года.
Две из внлолненых по результатам диссертации разработок были
представлены на Ленинградский областной конкурс ВНТО приборост
роителей в 1987 и 1988 гг., им были присуждены вторые премии.
Кроме того, ряд полностью законченных программно-аппаратных
средств был передан в фонд стандартных и прикладных программ для
микропроцессоров. .
Апробация работы. Основные результаты работы докладываливь и обсуждались на следующих конференциях:
второй всесоюзной научно-технической конференции " микропроцессорные системы", Челябинск, 1988г.
всесоюзной конференции "Современное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и радиоспектроскопии", Смоленск, 1991г.
второй, третьей и четвертой республЕ -зских научно-технических конференциях "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике, Харьков, 1985,1988 и 1992 г.
зональном семинаре "Микропроцессоры в системах контроля и управления" , Пенза, 1989г.
39, 41 и 43 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина), Ленинград , 1986,1988 и 1990 г.г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 печатных работ, в том числе получено 7 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований, и 7 приложений. Основная честь рабсты :зложена на 180 страницах кахивописногс текста. Работа содержит 63 рисунка а-1С таблиц,
