CC BY
11
2. Каштанов, А. Л. Автоматизированный программный комплекс по контролю и управлению энергопотреблением в границах железнодорожного узла по данным АСКУЭ [Текст] / А. Л. Каштанов, А. А. Комяков, И. Ю. Норкин // Известия Транссиба. - Омск, 2010. -№ 2 (2). - С. 71 - 76.
3. Нейроинформатика [Текст] / А. Н. Горбань, В. Л. Дунин-Барковский и др. Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. - 296 с.
4. Короткий, С. Нейронные сети. Алгоритм обратного распространения [Электронный ресурс] / С. Короткий - Электрон. текстовые дан. Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/86088/, свободный.
5. Комякова, О. А. Возможности искусственных нейронных сетей как аппарата для прогнозирования расхода электрической энергии на предприятиях железнодорожного транспорта [Текст] / О. А. Комякова // Омский научный вестник. - Омск, 2013. - №2 (120). - С. 264 -266.
УДК 625.09:004.3'12
М. М. Соколов
АЛГОРИТМ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРОВОДОВ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ
В статье рассматриваются вопросы контроля состояния проводов линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики. Предложен и обоснован алгоритм определения места повреждения проводов с использованием математического аппарата дискретного преобразования Фурье.
Эффективная и надежная работа устройств автоматики электрифицированных железных дорог, и, как следствие, безопасность движения поездов зависят, в том числе, и от функционирования комплекса электроснабжения. Условия электроснабжения железнодорожной автоматики (ЖА), в свою очередь, определяются техническим состоянием элементов комплекса электроснабжения.
Согласно статистике одной из наиболее распространенных причин отказов комплекса электроснабжения, приводящих к нарушению работы устройств автоматики, является повреждение проводов линии электропередач (ВЛ СЦБ). Поиск места повреждении проводов ВЛ СЦБ затруднен вследствие большой ее протяженности, что приводит к увеличению времени восстановления комплекса электроснабжения устройств ЖА и, как следствие, к нарушению условий бесперебойного и безопасного движения поездов. Применение методов определения места повреждения проводов ВЛ СЦБ позволяет сократить время восстановления работы комплекса электроснабжения за счет уменьшения времени поиска места отказа [1].
При организации контроля технического состояния проводов линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики возникает задача получения значения разности фаз линейных напряжений [1, 2]. Эта задача может быть решена многими способами: осцилло-графическим, методом компенсации фазы, методом преобразования интервала времени в напряжение, цифровым методом подсчета количества импульсов, методом измерения фазы с преобразованием частоты, квадратурным методом измерения фазового сдвига, синхронным детектированием, методом преобразования Фурье (ПФ) с последующим извлечением фазовой составляющей из гармонического состава, использованием связи между амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками посредством преобразования Гилберта для минимально-фазовых цепей. Однако все перечисленные методы, кроме ПФ, не оптимальны при цифровой реализации [3].
На точность определения спектрального состава кривой напряжения с помощью ПФ ока-
№.?!15) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 103
зывают влияние количество взятых на периоде этой кривой выборок и отклонение частоты в сети электроснабжения [4 - 6].
Абсолютную погрешность измерения фазы линейного напряжения (Лф) можно рассчитать по формуле:
Аф = \ф-фш\ , (1)
где ф - действительное значение фазы;
фПФ - значение фазы, рассчитанное по выборке при помощи ПФ.
Оценим погрешность вычисления фазы первой гармонической составляющей спектра питающего напряжения.
Значения выборки синусоидального сигнала с частотой, соответствующей к-й гармонической составляющей, описывает функция:
уМ.Н.Ф) = )п), (2)
N
где у(п) - выборка кривой синусоидального напряжения с частотой, соответствующей частоте 1 -й гармоники;
п - порядковый номер значения в выборке; N - количество значений в выборке за период;
а(Л£) - коэффициент, вносящий отклонение частоты, рассчитывается по формуле:
а(А/) = , (3)
1 о
где /0 - частота основной гармоники (50 Гц);
А/ - отклонение частоты основной гармоники.
Фаза первой гармонической составляющей спектра рассчитывается следующим образом:
Фпф = аг§(X [у(п, Л/, N, ф)]), (4)
где Х] - первая составляющая комплексного спектра, рассчитываемая при к, равном единице [7], по формуле:
1 N-1 п
I -—. -ь2к п—
X = - £ (у(п) • е N, (5)
N п=0
Подставив в уравнение (1) выражения (4) и (5), получаем формулу расчета погрешности вычисления фазы первой гармонической составляющей спектра питающего напряжения с использованием ПФ:
Дф(ф, А/, N ) =
ф- ащ
1 N-1 2 пП
-£(у(п, А/, N,ф) "
^ п=о
е N
(6)
Для оценки погрешности вычисления фазы первой гармонической составляющей спектра питающего напряжения проведено моделирование в среде Mathcad. Согласно требованиям ГОСТа [8] предельно допустимое значение отклонения частоты в энергосистеме составляет ±0,4 Гц. На рисунке 1 представлены графики зависимости погрешности измерения фазы от значения фазы первой гармонической составляющей для разного количества отсчетов (^ при отклонении частоты -0,4 Гц.
Как видно из рисунка 1, при использовании ПФ абсолютная погрешность вычисления не превышает значения 1,7 ° для любого значения фазы и количества отсчетов ПФ, в то время как допустимая погрешность составляет 5 ° [9].
104 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(15) 2013
— I —20 1 3
Лф(<р, -0,4,4] ¿ф(о, -0,4, 8) Лф(ф, -0,4, 16) Дф{ф, -0,4, 32.1
-0,4, 128)
Лф
1.8 град 1,6 1.5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0.9 0;8
0,7 0.6
^ t *
*
t у # /• > * * /
t г / /
■ / г * / j f I t
\ * / / й ♦ * \ ш + / + ' / /
г / \ч н í
/
-180-150-120 -90 -60
-30
Ф
О 30 60 90 120 град 180
Рисунок 1 - Графики зависимости погрешности измерения фазы от значения фазы
Результаты проведенного моделирования позволяют сделать вывод о возможности применения аппарата ПФ для получения значения разности фаз линейных напряжений при контроле технического состояния проводов линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики.
Очевидно, что более эффективными с точки зрения реализации микропроцессорными средствами в данном случае будут вычисления по наименьшему количеству выборок. Следовательно, для реализации вычисления разности фаз целесообразно использовать четырехточечное ПФ.
При использовании ПФ как средства определения разности фаз напряжения трехфазной линии в микропроцессорных системах диагностирования требуется учет ряда противоречивых требований, таких как приемлемая скорость вычислений, доступная вычислительная мощность, доступный объем оперативной памяти. Таким образом, требуется подбор алгоритма вычисления ПФ, удовлетворяющего этим требованиям.
В настоящее время для вычисления дискретного спектра Фурье широко применяется алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), являющийся типовым решением задач подобного рода. Этот алгоритм позволяет более эффективно, по сравнению с прямым вычислением на основе формулы (5), получать дискретный спектр Фурье. Однако, как показано выше, для реализации алгоритма контроля технического состояния проводов линии электроснабжения требуется только фаза первой спектральной составляющей, в то время как в алгоритме БПФ вычисляется полный спектр в соответствии с параметрами алгоритма. Таким образом, требуется сравнить эффективность применения БПФ и прямого вычисления дискретного спектра Фурье по указанным выше критериям.
Для проведения оценки эффективности алгоритмов выбрана аппаратная платформа на основе контроллера смешанных сигналов MSP430F1611. Выбор данной аппаратной платформы объясняется доступностью ее на момент проведения исследований и тем, что микроконтроллеры данной серии широко применяются для построения устройств контроля и диагностики в системах электроснабжения.
Спектр сигнала рассчитывался по четырем выборкам, так как ранее доказано, что такого количества выборок достаточно для того, чтобы с приемлемой точностью определить фазу первой спектральной составляющей. Оцениваемые алгоритмы реализованы в интегрированной среде разработки программного обеспечения IAR Embedded Workbench ®. Так как при реализации обоих алгоритмов использовался один и тот же компилятор, входящий в состав интегрированной среды разработки программного обеспечения, то исключена необъектив-
№ 3(15) 2013
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
105
ность при сравнении алгоритмов вследствие различия методов компиляции и различия в реализации стандартных функций.
В таблицах 1 и 2 представлены результаты анализа сравниваемых алгоритмов вычисления спектра Фурье по четырем точкам с точки зрения используемых стандартных функций и ресурсов (оперативная память, время), затрачиваемых на выполнение алгоритмов [8].
Таблица 1 - Вычисление БПФ Таблица 2 - Вычисление ДПФ
Функция Количество вызовов Количество циклов процессора за один вызов Общее число циклов процессора Затраты памяти, байтов
Общая часть ДПФ 1 141 141
Аппаратное умножение 40 177 7080
Сложение 42 116 4872
Преобразование формата числа с плава- 4 171 684
ющей запятой в целое
Преобразование формата целого числа в число с плавающей запятой 4 5 20 131
Преобразование формата числа в число 6 81 486
с плавающей запятой
Операции сравнения 20 70 1400
Деление 2 352 704
Вычитание 23 3 69
Вычисление синуса 4 58 232
Прочее 4 6 24
Итого 150 1180 15712
Функция Количество вызовов Количество циклов процессора за один вызов Общее число циклов процессора Затраты памяти, байтов
Общая часть ДПФ 1 56 56
Аппаратное умножение 42 51 2142
Сложение 26 56 1456
Преобразование фор-
мата числа с плаваю- 6 171 1026
щей запятой в целое
Преобразование фор-
мата целого числа в чис- 30 5 150
ло с плавающей запятой 77
Преобразование
формата числа в число 30 33 990
с плавающей запятой
Операции сравнения 30 70 2100
Деление 9 39 351
Вычитание 12 3 36
Вычисление синуса 8 92 736
Прочее 8 6 48
Итого 202 582 9091
Из сравнения данных таблиц 1 и 2 следует, что при решении задачи вычисления фазы первой спектральной составляющей алгоритм прямого вычисления дискретного спектра на основе формулы (5) значительно более эффективен по сравнению с БПФ. Это в первую очередь объясняется тем, что при прямом вычислении дискретного спектра Фурье имеется возможность рассчитывать комплексные амплитуду и фазу отдельно для каждой спектральной составляющей, чего не позволяет БПФ.
Таким образом, для реализации вычисления разности фаз линейных напряжений целесообразно использовать четырехточечное дискретное преобразование Фурье (ДПФ), что позволит получить достаточную точность при наименьших затратах.
На рисунке 2 представлен алгоритм проверки соответствия разности фаз своему нормативному значению с использованием ДПФ.
106 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„3(15)
Рисунок 2 - Алгоритм проверки соответствия разности фаз своему нормативному значению с использованием ДПФ
Приведенный алгоритм применен в разработанном при участии автора устройстве контроля состояния проводов [2], позволяющем диагностировать обрыв провода в ВЛ СЦБ и минимизировать время поиска повреждения. Определение фазного провода и участка ВЛ СЦБ, на котором произошел обрыв, осуществляется по измеряемым значениям сдвига фаз линейных напряжений в контрольных точках. Погрешность определения места повреждения при применении приведенного алгоритма не будет превышать половины длины участка транспозиции [10].
№ 3(15) ЛЛИ О ИЗВЕСТИЯ Транссиба 107
=2013 ■
Список литературы
1. Соколов, М. М. Контроль технического состояния линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики [Текст] / М. М. Соколов // // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 3 (11). - С. 88 - 95.
2. Пат. 94349 Российская Федерация, МПК G 01 R 31/00. Устройство контроля состояния проводов [Текст] / Лунев С. А., Соколов М. М.; заявитель и патентообладатель Омский гос. унт путей сообщения. - № 2010102684/22; заявл. 27.01.10; опубл. 20.05.10, Бюл. № 14. - 2 с.
3. Воронов, А. С. Измерение разности фаз / А. С. Воронов // Горизонты образования.-Барнаул, 2007. http://edu.secna.rU/publication/5/release/28/ .
4. Сидоров, О. А. Анализ влияния отклонения напряжения питания на надежность функционирования сигнальной точки [Текст] / О. А. Сидоров, М. А. Карабанов // // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 1 (5). - С. 100 - 104.
5. Карабанов, М. А. Снижение влияния системы тягового электроснабжения на электропитание нетяговых потребителей в моменты подключения преобразовательных агрегатов [Текст] / М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 3 (7). - С. 58 - 67.
6. Соколов, М. М. Контроль качества электрической энергии в системах электроснабжения устройств автоматики железных дорог [Текст] / М. М. Соколов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 1 (5). - С. 77 - 83.
7. Залманзон Л. А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях / Л. А. Залманзон. - М.: Наука. 1989. - 496 с.
8. ГОСТ Р54149-2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Стандартинформ, 2012. - 16 с.
9. Борисенко Д. В. Реализация алгоритма контроля технического состояния проводов высоковольтной линии сигнализации, централизации, блокировки [Текст] / Д. В. Борисенко, М. М. Соколов // Эффективность и безопасность работы электротехнических комплексов и систем автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - С. 26 - 32.
10. Соколов М. М. Совершенствование методов контроля состояния электротехнического комплекса электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог [Текст]: Дис... канд. техн. наук / Соколов М. М.. - Омск, 2010. - 163 с.
УДК 621.331:621.311
В. Т. Черемисин, С. Ю. Ушаков, А. Л. Каштанов
ЕДИНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
НА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ (ЕАСУЭ ЭПС) ПОСТОЯННОГО ТОКА
В работе проведен анализ текущего состояния учета электроэнергии на электроподвижном составе постоянного тока, изложена концепция создания единой автоматизированной системы учета электроэнергии на электроподвижном составе постоянного тока, сформулированы основные технические требования, предъявляемые к современным измерительным системам на электроподвижном составе.
В настоящее время учет расхода электрической энергии на старых сериях электровозов постоянного тока, составляющих большую часть электрифицированного парка полигона постоянного тока сети железных дорог, осуществляется преимущественно электромеханическими счетчиками СКВТ-Д600М и СКВТ-Д621. Данные счетчики имеют классы точности 2,5 и
108 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„3(15)
