CC BY
36
8. Orlov A., Astafiev V. Development of Algorithm for Localization of Production Markings with the Use of Analysis of the Color Data on Digital Images // 14th Goeconference on informatics geoinformatics and remote sensing conference (SGEM-2014). 2014. P. 113-118.
9. Orlov A. [et al.]. Methods and Algorithms to Localization of the Scenes of the Markings in Operated Video Surveillance Systems // Proc. Southwest State U. ser. Manag. Comput. Facil. Comput. Sci. Med. Instr. Making. 2011. № 2. P. 22-29.
10. Emel'yanov B. C., Myshlyaeva L. P. [et al.]. Methods for the Identification of Industrial Facilities in Control Systems // The Kuzbass Muzizdat. 2007.
11. Kasaei S. H. [et al.]. New Morphology-Based Method for Robust Iranian Car Plate Detection and Recognition // Int. J. Comput. Theor. Eng. 2010. Vol. 2, no. 2. P. 1793-1796.
12. Lampert C. [et al.]. Beyond Sliding Windows: Object Localization by Efficient Subwindow Search // Proc. of CVPR. 2008.
УДК 006.91:681.2
АВТОМАТИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА КАЛИБРОВКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
М. Ю. Николаев1, Е. В. Николаева1, И. А. Лесков1, С. В. Бирюков1, В. А. Лариошкин2, А. В. Варварский2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2ЗАО «Нижневартовская ГРЭС», г. Нижневартовск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-159-164
Аннотация - корректное функционирование информационно-измерительных систем невозможно без своевременного метрологического обследования и калибровки измерительных каналов. Некалиброван-ные каналы могут передавать недостоверную информацию, что приводит к неэффективному мониторингу и неправильным принятиям режимных решений. Обзор современных исследований в области калибровки измерительных каналов указывает на низкую исследовательскую активность в данной области и подчеркивает ее актуальность. Работа проведена в соответствии с общенаучным методом познания - конкретизацией совместно с комплексным анализом. Результатом исследования является модернизация алгоритма калибровки, что позволяет с сокращением времени и привлекаемого персонала получать отчеты о неопределенности передаваемой информации измерительными каналами с исключением прямого подключения к исследуемой системе. Практическая ценность разработанного алгоритма калибровки состоит в том, что исключается ручной ввод данных путем программного сопряжения автоматизированного рабочего места дежурного инженера и ЭВМ посредством установленной камеры видеофиксации данных калибровки, вследствие чего выдача готовых протоколов калибровки происходит незамедлительно, а калибровку выполняет специалист, мгновенно получающий результат. Исключается субъективная и аддитивная неопределенности метрологического персонала. Результаты данного исследования могут быть применены и применяются в работе базовых метрологических служб энергокомпаний.
Ключевые слова: измерительный канал, калибровка, информационно-измерительная система, электроэнергетическая система, электроэнергия.
I. Введение
Корректное функционирование информационно-измерительных систем невозможно без своевременного метрологического обследования и калибровки измерительных каналов. Некалиброванные каналы могут передавать недостоверную информацию, что приводит к неэффективному мониторингу и неправильным принятиям режимных решений. Необходимые метрологические работы выполняются на каждом этапе жизненного цикла как автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), так и других систем управления и контроля, определяются требования к точности выполнения измерений, выбираются средства измерений для организации измерительных каналов (ИК), обеспечивающих требуемую точность, а также происходит выбор рабочих эталонов, которые подтверждают заданную точность, производится аттестация и всех
ИК системы. Кроме этого, осуществляется периодическая поверка или калибровка измерительных каналов системы в процессе эксплуатации.
Проведенный обзор современных исследований в области калибровки и поверки измерительных каналов показывает низкую исследовательскую активность в данной области, и, следовательно, подчеркивает актуальность данной тематики. Исследователями рассматриваются методы повышения передачи достоверности информации ИК с математической точки зрения, а также моделирование основных факторов, влияющих на достоверность системы [1]. Также исследователями предлагается программный инструмент для диагностики неисправностей топологии сети в режиме реального времени для операторов центров управления [2], нестабильность метрологических характеристик измерительных приборов и преобразователей [3], вопросы их автоматизации [6]. Оптимизированная процедура оценки метрологических характеристик трансформатора тока оконного типа представлена авторами в работе [4]. Измерительный канал с автоматической коррекцией данных преобразования рассмотрен в работе [7].
II. Постановка задачи
На действующих энергообъектах измерения проводят с неопределенностью, обеспечиваемой методами и средствами измерений, предусмотренными в проекте. Измерения, которые подлежат государственному контролю и надзору, должны осуществляться в соответствии с нормами неопределенности, установленными государственными или отраслевыми нормативными документами и методиками выполнения измерений, аттестованными в установленном порядке [5].
Действующая методика калибровки одного измерительного канала состоит из десятка последовательных операций, каждая из которых требует от исполнителя высокой концентрации внимания, мастерства и строгого выполнения требований техники безопасности (осуществляется строго по наряду-допуску) [8].
Результатом исследования является модернизация алгоритма калибровки, что позволяет с сокращением времени и привлекаемого персонала получать отчеты о неопределенности передаваемой информации измерительными каналами с исключением прямого подключения к исследуемой системе. Практическое преимущество разработанного алгоритма калибровки исключает ручной ввод данных путем программного сопряжения автоматизированного рабочего места дежурного инженера и персонального компьютера (ПК) посредством установленной камеры видеофиксации данных калибровки, вследствие чего выдача готовых протоколов калибровки происходит незамедлительно, а калибровку выполняет специалист, мгновенно получающий результат, исключается субъективная и аддитивная неопределенности метрологического персонала. Существующая общепринятая методика реализует традиционный (с использованием средств вычислительной техники и специализированного программного обеспечения) алгоритм калибровки (поверки), который имеет ряд недостатков:
- большие временные затраты;
- возможность субъективной и аддитивной неопределенности информации (человеческий фактор).
Следовательно, по существующему порядку, бригада инженеров по метрологии работает строго последовательно - подготовка канала для калибровки (3-5 мин), калибровка (8-10 мин), восстановление канала (3-5 мин). Итого, весь процесс занимает 15-20 минут на один канал, не учитывая время на заполнение и утверждение заявки с районным диспетчерским управлением, и инструктаж по технике безопасности. Таким образом, за одну смену можно провести калибровку 20-30 каналов. Если учесть, что все эти работы проводятся дневным персоналом, а объем ИК, подлежащих калибровке, на примере энергоблока 120 МВт, составляет алгоритма 1000, то на калибровку всех ИК потребуется около двух месяцев.
Целью исследования является модернизация по времении трудоемкости процесса калибровки измерительных каналов, различных информационно-измерительных систем и комплексов, что является актуальным для энергокомпаний.
Задачей является разработка алгоритма проведения калибровки измерительных каналов информационно-измерительных систем в строгом соответствии с методикой проведения измерений и со значительным сокращением временных затрат за счет оптимизации выполняемых операций и применения специального программного обеспечения (ПО) и оборудования, позволяющая исключить прямые подключения и вмешательства в работу исследуемых систем.
III. Теория
Современная электроэнергетическая система (ЭЭС) представляет собой сложную техническую систему, которая содержит различные форматы измерительных и расчетных данных, атрибутивными параметрами объектов генерации и потребления, их свойствами [6]. Для корректной, своевременной и точной работы всех информационно-измерительных и управляющих элементов ЭЭС необходимо наличие единой информационной структуры, предоставляющей возможности удаленной передачи данных о состоянии энергетических объектов и процессов в режиме реального времени.
Любая информационно-измерительная система (ИИС), применяемая на электрических станциях, будь то автоматизированная информационно-измерительная система контроля и учета электроэнергии (АИИСКУЭ), система телемеханики и связи (СТМИС), автоматизированная система диспетчерского управления энергообъектами (АСДУЭ) и другие, является иерархической структурой и состоит из множества каналов связи и передачи электрических сигналов и результатов измерений первичными органами измерения на автоматизированные рабочие места (АРМ). На рис. 1 в качестве примера показан состав АИИСКУЭ, что указывает на наличие в таких системах множества информационно-измерительных каналов и связей. При обрыве или неполной передачи сигнала измерительным каналом происходит искажение результата работы систем. Обязательным является и метрологическая поверка полноты и точности передачи сигнала и измерений во всем передающем диапазоне.
Разработанный алгоритм калибровки ИК подразумевает использование видеокамеры, подключенной к ПК метролога с программным комплексом по распознаванию текста во время движения и автоматическое составление протокола из полученных величин на основе заданного шаблона. Новизна данного алгоритма заключается в том, что все управление за датчиком осуществляется через техническое оборудование со специальным установленным ПО, а не на человека, что исключает субъективную и аддитивную неопределенности, следовательно, повышается качество и производительность труда. Структурная схема показана на рис. 2.
Рис. 1. Структурная схема автоматизированной информационно-измерительной системы контроля и учета электрической энергии
Рис. 2. Структурная схема оптимизации калибровки ИК
Во время передачи калибратором значений сигналов на АРМ, видеокамера, установленная напротив, фиксирует появившееся значения, за счет ПО по распознаванию движения. Полученные таким образом снимки преобразуются в текстовые символы, с помощью ПО на базе Оптического распознавания символов (англ. OpticalCharacterRecognition, OCR). Из полученных величин специальное программное обеспечение составляет протокол в соответствии с заданным шаблоном и диапазоном измерений, сравнивая значения с установленными нормами погрешности измерений для ИК. Готовый протокол отправляется в облачное хранилище и/или на принтер посредством встроенного модуля Wi-Fi.
IV. Результаты внедрения и экспериментов После проведенных испытаний и анализа сравнительных характеристик ряда ПК и видеокамер выделены минимальные характеристики данного оборудования для калибровки ИК с помощью предлагаемого алгоритма. Данные сведены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
МИНИМАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ
ПК Фотокамера
Частота процессора 1,8 ГГц Разрешение матрицы 2,2 Мп
Количество ядер двухъядерный Размер матрицы 1/1,8"
процессора
Оперативная память 2 Гб Светочувствительность камеры (ISO) 100-3200
Наличие МодульWi-Fi, Память 32-64 Гб
USB 2.0 Диапазон выдержки 1/2000 c
Наличие автофокус
ТАБЛИЦА2 ВВОД ДАННЫХ КАЛИБРОВКИ
№ исследуемой точки Значения входного сигнала Ход (прямой, обратный) Показания Полученная в результате калибровки абсолютная неопределен-ностьи змерений Полученная в результате калибровки относительная неопределенность измерений, %
В % диапазона измерений В единицах измерений параметра В единицах электрического сигнала
Линия 1
ток1а
1 5 50 А 0,25А 1 49,250 0,750 1,500
2 49,124 0,876 1,752
3 48,985 1,015 2,030
2 20 200 А 1А 1 200,000 0,000 0,000
2 200,000 0,000 0,000
3 199,600 0,400 0,200
3 40 400 А 2А 1 400,000 0,000 0,000
2 400,000 0,000 0,000
3 399,600 0,400 0,100
4 60 600 А ЗА 1 599,600 0,400 0,067
2 600,000 0,000 0,000
3 600,000 0,000 0,000
5 80 800 А 4А 1 799,600 0,400 0,050
2 799,600 0,400 0,050
3 799,400 0,600 0,075
6 100 1000 А 5А 1 999,600 0,400 0,040
2 999,600 0,400 0,040
3 1000,000 0,000 0,000
Программное обеспечение, установленное на видеокамере, позволяет задействовать режим «детектор движения» - по изменению освещенности регистрируя наличие движения и делая снимок, а также повысить диапазон выдержки в 2-3 раза (в зависимости от модели камеры). Вследствие чего видеокамера способна сфотографировать все возникающие вариации сигнала, а снимки получаются достаточной четкости для дальнейшего распознавания.
Проведение поверочных и калибровочных мероприятий в информационно-измерительных системах электрических сетей и электрических станций проводится по каждому ИК, в составе: измерительный трансформатор напряжения (ТН), измерительный трансформатор тока (ТТ), линия связи (ЛС), измерительный преобразователь (ИП), контроллер, ЭВМ. В табл. 2 показан пример ввода данных калибровки.
Разработанный алгоритм калибровки ИК СТМиС предполагает последовательное выполнение следующих операций, в строгом соответствии с методикой калибровки:
1. Заполняется и утверждается заявка на проведение калибровки измерительных каналов в районном диспетчерском управлении (РДУ);
2. После оформления наряда-допуска или распоряжения на проведение работ в соответствующей электроустановке проводятся мероприятия по технике безопасности;
3. Производится установка и подключение камеры и ПК на АРМ метролога.
4. Производится подключение соединительных проводов калибратора переменного тока с необходимыми контактами клеммников распределительного устройства перед измерительным преобразователем в строгом соответствии со схемой подключения, соблюдением направления сигнала (полярности);
5. Поочередно проводится передача диапазона каждой величины по калибруемому каналу связи;
6. Камерой фиксируются все значения (вариации) во всем диапазоне каждой передаваемой величины на АРМ дежурного инженера электрической станции или подстанции в окне специализированного программного обеспечения. Полученные значения заносятся в специализированное ПО, которое, благодаря оригинальному алгоритму, анализирует и выдает итоговый протокол о результатах калибровки за короткий временной промежуток. На этом этапе, анализируя протокол, можно перезапустить задающие параметры эталонных величин сигналов.
7. Производится отключение соединительных проводов, разбирается калибровочная схема, проводятся мероприятия по закрытию наряда-допуска или распоряжения.
V. Обсуждение результатов
Значения расчетной максимальной допустимой абсолютной и приведенной неопределенностей могут выходить за пределы нормы неопределенности измерений. Это связано со следующими случайными факторами:
1. Неточность задания диапазона калибровки задающего программно-аппаратного устройства калибратора.
2. Субъективная неопределенность персонала при выполнении соединения.
3. Плохой контакт соединительных проводов в клеммном устройстве и в выводной контактной группе калибратора из-за слабой затяжки.
Первые два фактора являются ошибками персонала, последние два связаны с конструктивными особенностями клеммных контактов и групп. Для исключения двух последних факторов [8] предлагается замена устаревших клеммных групп ячеек распределительных устройств на современную продукцию фирмы РИоетхСоп-1ай - клеммы с размыкателями для измерительных трансформаторов.
Особое внимание следует уделять целостности материалов соединительных проводников и наконечников.
VI. Выводы и заключение
1. Отличие данного алгоритма калибровки ИК от метода, предложенного исследователями в работе [8], это возможное участие только одного члена бригады в процессе калибровки, который на свой ПК мгновенно получает результаты калибровки ИК. Следует иметь в виду, что правила охраны труда запрещают указывать в наряде-допуске менее двух сотрудников. Все управление датчиком полностью ложится на программу ЭВМ, что исключает субъективные и аддитивные неопределенности, а инженер-метролог, управляющий калибратором, на своем ПК мгновенно видит показания, формируемые калибруемым ИК, и получает протокол калибровки в масштабе реального времени.
2. Оценка сокращения временных затрат на выдачу протокола калибровки ИК по предлагаемому алгоритму калибровки, проведенной на основании отношения хронометража предлагаемым методом и хронометража общераспространенной методики, показала следующее: за счет применения специализированного авторского программного обеспечения, видеокамеры и ПК на объекте проведения калибровки, сокращение времени составило с 15-20 минут до 10-15 минут на один канал. Следовательно, предложенный метод сокращает время калибровки на 35%.
3. В связи с участившимися случаями кибератак на промышленные энергосистемы, предложенный алгоритм имеет большую практическую значимость, т.к. не вмешивается в работу самой исследуемой системы, а собирает данные при калибровке ИК косвенно, не подключаясь к ее интерфейсу.
Список литературы
1. Portnov E. M., Gagarina L. G., KyawZaw Ye, Kyaw Zin Lin. Method for increasing reliability for transmission state of power equipment energy // Signal and Information Processing (GlobalSIP): IEEE Global Conference. 2015. DOI: 10.1109/GlobalSIP.2015.7418232.
2. Oliveira A. L., O. C. B. de Araiijo, Brum A. F., Cardoso G., A. P. de Morais, Marchesan G. An automatic fault diagnosis solution for electrical power systems // 12th IET International Conference on Developments in Power System Protection (DPSP 2014). 2014. DOI:10.1049/cp.2014.0112.
3. Berezhnoy D. A., Kravtsova S. Ye., Malovik K. N. Estimation of the metrological performance instability for measuring channels of research reactors // Nuclear Energy and Technology. Vol. 1, Issue 4, December 2015. P. 253258. DOI: 10.1016/j.nucet.2016.02.012.
4. Lorenzo Peretto, Roberto Tinarelli. Procedure for the assessment of metrological characteristics of windowtype current transformers in three-phase power systems // IEEE International Workshop on Applied Measurements for Power Systems Proceedings (AMPS). 2014. DOI: 10.1109/AMPS.2014.6947700
5. РД 34.11.321-96. Нормы погрешности измерений технологических параметров тепловых электростанций и подстанций. М., 1997.
6. Ledin S. S. Intelligent Networks SmartGrid- the Future of Russian Energy // Automation and ITin the energy sector. 2010. No 11 (16). Р. 4-8.
7. Filatov Yu. V., Korolev P. G., Utushkina A. V., Tsareva A. V., Kuzmina N. A. Measuring channel with automatic correction data conversion // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EICon-RusNW), IEEE NW Russia, 2016. DOI: 10.1109/EIConRusNW.2015.7102258.
8. Nikolayev M. U., Nikolayeva E. V., Lyashkov A. A. Data measuring channels calibration procedure // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819052.
УДК 53.08:519.6
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ, ОСНОВАННЫЙ НА ДИНАМИЧЕСКОМ СООТНОШЕНИИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ
Л. С. Терехов1, А. А. Лаврухин2
'Омский филиал Института математики им. С. Л. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, г. Омск, Россия 2Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-164-169
Аннотация - Предложен и исследован алгоритм, раскрывающий единую физическую основу измерения и инструментального (компьютерного) вычисления. Алгоритм основан на ранее предложенном постулате и направлен на нахождение оптимальной, локально определяемой ширины интервала усреднения, обеспечивающей при измерении или решении вычислительной задачи уменьшение погрешности определения изменяющейся величины. Технология алгоритма состоит в адаптации параметров измерителя к параметрам измеряемого объекта на каждом шагу измерения или вычисления. Эффективность алгоритма успешно испытана на ряде стандартных численных решений.
Ключевые слова: уменьшение погрешности, макроскопическое квантование, численные испытания.
I. Введение
Поводом для разработки послужил необъяснимый результат эксперимента вертикального радиозондирования ионосферного слоя плазмы одновременно снизу, с Земли, и сверху, со спутника. В максимуме электронной концентрации слоя расхождение измеренных снизу и сверху высот, согласно оценке радиолокационного соотношения неопределённостей (РСН) [1, 2], ожидалось в пределах 0,25-0,5 км. Эксперимент показал расхождение приблизительно в 50 км. В Руководстве по интерпретации и обработке ионограмм [3] отмечается, что приемле-
