CC BY
23
УДК 621.3.014.7: 519.713
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6-10 KB
Б.Б. Утегулов, A.M. Шинтемиров
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Жумыста Mat Lab математикалык жуйесшен 6-10 кВ керпеут элгктр тораптарындагы жерге бгрфазальщ туйьщталу пюгын автоматтъщ аньщтау цурылгын математикалык, модельдеу оттз1лд1. Модельдву нэтижесшде 6-10 кВ керщт элгктр тораптарындагы жерге (прфазалъщ туйьщталу тогын автоматтъщ аньщтау цурылгын нег^зг: математикалык, моделш pemiiide басцару микропрограммальщ Мили автоматы цабыл emedi.
В работе проведено математическое моделирование разрабатываемого устройства автоматичедцого определения тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-10 кВ с применением математической системы MatLab. В результате моделирования в качестве основной математической модели устройства автоматического определения тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-10 кВ принимается модель управляющего микропрограм много автомата Мили.
In the work the mathematical modelling of the current of single-phase short circuit to ground in an electric networks of 6-10 kV voltage automatic definition's developing device is carried out by using the MatLab mathematical system. In consequence of modeling as basic mathematical model of the current of single-phase short circuit to ground in an electric networks of 6-10 kV voltage automatic definition's developing device the managing microprogram Mealv automaton is accepted.
В процессе моделирования разрабатываемого устройства автоматического определения тока однофазного замыкания на землю (033) в электрических сетях 6-10 кВ [1] строятся временные диаграммы работы его функциональных блоков и решаются следующие основные задачи:
№2, 2003 г.
175
- проверка правильности логической структуры разрабатываемого
устройства;
- сравнение характеристик различных вариантов логических схем;
- выявление явления состязаний и риска сбоя в логических схемах.
Имитационное моделирование - наиболее мощный и универсальный
метод исследования и оценки эффективности систем.
Любая имитационная модель представляет собой более или менее сложный программный продукт, который может быть разработан на любом универсальном языке программирования, даже на языке низкого уровня Ассемблер. Однако в этом случае возникают следующие трудности:
- требуется знание не только области исследования, но и языка программирования на достаточно высоком уровне;
- во многих практических задачах интерес представляет не только (не столько) количественная оценка эффективности системы, сколько ее поведение в той или иной ситуации. Поэтому необходимо наличие соответствующих "окон", которые можно было бы при необходимости закрыть, перенести на другое место, изменить масштаб и форму представления наблюдаемых характеристик и т.д. во время текущего модельного эксперимента.
Реализация таких возможностей на универсальном языке программирования требует огромного опыта программирования и времени [2]. Поэтому в настоящее время разработаны ряд программных продуктов, не требующих навыков программирования и получивших, благодаря огромным возможностям математического моделирования различных классов систем, широкое распространение в научной среде. В результате анализа программных средств математического моделирования на рынке компьютерных технологий были выбраны пакеты расширения визуально-имитационного моделирования БтиНпк и событийного моделирования 8га1еПо\у математической системы МАТЬАВ 6.1. позволяющей весьма эффективно решать указанные выше проблемы.
Достоинствами математической системы МАТЬАВ 6.1 является наличие открытой архитектуры, что дает полный доступ пользователям к ее кодам на гибком и мощном языке программирования этой системы. Он является одним из лучших и высокоэффективных языков программирования для научно-технических расчетов и создания удобных и очень наглядных визуально-ориентированных средств анализа, идентификации, построения и моделирования систем моделирования различных устройств и систем.
Новейшая версия системы МАТЬАВ 6.1 поставляется вместе с пакетом расширения БипиНпк 4.1, предназначенным и для математического моделирования динамических систем модели которых составляются из отдельных блоков (компонентов). В нем реализованы принципы визуально-ориентированного программирования, что позволяет легко набирать нужные блоки и соединять их с целью составления модели системы или устройства. При этом сложнейшие уравнения состояния, описывающие работу моделей систем или устройств, формируются автоматически.
По удобству графического пользовательского интерфейса, обилию моделей (блоков) компонентов и в множестве библиотек, разнообразию виртуальных средств регистрации и визуализации результатов моделирования и, главное, по надежности и достоверности БтиНпк 4.1 выгодно отличается от множества подобных программ. Особенно это относится к открытости пакета и возможностям пополнения его библиотек.
Пакет событийного моделирования 81а1еАо\у (версия 4.1) основан на теории конечных автоматов. Он позволяет представить функционирование системы на основе цепочки правил, которые задают соответствие событий и действий, выполняемых в ответ на эти события. Пакет имеет графический интерфейс, позволяющий создавать модели в виде графических диаграмм динамического типа. Это означает, что входе моделирования на диаграмме отображаются все изменения модели: строятся диаграммы переходов, изменяются цвета блоков в зависимости от их активности и т.д. Это позволяет визуально отслеживать поведение и состояние системы в ходе моделирования [3].
Для осуществления моделирования необходимо в окне программы из блоков библиотек пакетов БтиПпк и 81а1еАо\у собрать разработанные логические схемы и графы управляющего микропрограммного автомата Мили и управляющего микропрограммного автомата Мура устройства автоматического определения тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-10 кВ.
Принимаются следующие параметры моделирования:
- период импульса синхронизации элементов памяти - 1 секунда эталонного машинного времени;
- время моделирования 13 секунд эталонного машинного времени для управляющего микропрограммного автомата Мили и 14 секунд эталонного машинного времени для управляющего микропрограммного автомата Мура по числу состояний в графах соответствующих автоматов;
- метод моделирования - дискретный с фиксированным шагом;
- размер шага моделирования - фиксированный, автоматический;
- режим автоматический;
- для имитирования входных сигналов используются блоки единичного перепада сигнала в заданное время "Step";
- для отображения результатов моделирования используюгся блоки виртуального осциллографа "Scope";
моделирование осуществляется при выполнении и невыполнении логического условия Х2 (наличие или отсутствие напряжения в электрической сети).
Логическая схема и граф модели управляющего микропрограммного автомата Мили устройства автоматического определения ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ представлены на рисунках 1 и 2 [4]. Рисунок 2 иллюстрирует процесс моделирования управляющего микропрограммного автомата Мили, автомат находится в состоянии а2.
При выполнении логического условия Х2 в результате моделирования получены следующие диаграммы:
- диаграмма выходных сигналов (микрокоманд);
- диаграмма входных сигналов (логических условий);
- диаграмма состояний элементов памяти (D-триггеров).
При невыполнении логического условия Х2 в результате моделирования получены следующие диаграммы:
- диаграмма выходных сигналов ^микрокоманд);
- диаграмма входных сигналов (логических условий);
- диаграмма состояний элементов памяти (D-триггеров).
Логическая схема и граф модели управляющего микропрограммного
автомата Мура устройства автоматического определения тока однофазного замыкания на землю представлены на рисунках 3 и 4 [5]. Рисунок 4 иллюстрирует процесс моделирования управляющего микропрограммного автомата Мура устройства автоматического определения тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6-10 кВ, автомат находится в состоянии а5.
При выполнении логического условия Х2 в результате моделирования получены следующие диаграммы:
- диаграмма выходных сигналов (микрокоманд);
- диаграмма входных сигналов (логических условий);
- диаграмма состояний элементов памяти (D-триггеров).
При невыполнении логического условия Х2 в результате моделирования получены следующие диаграммы:
Рис. 1. Логическая схема модели управляющего микропрограммного автомата Мили устройства автоматического определения тока ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ, реализованная в среде МАТЪАВ
Рис. 2. Граф модели управляющего микропрограммного автомата Мили устройства автоматического определения тока ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ, реализованный в пакете 5(а(еЛо-л' математической системы МАТЬАВ 6.1
Рис. 3. Логическая схема модели управляющего микропрограммного автомата Мура устройства автоматического определения тока ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ, реализованная в среде МАТЬАВ
Рис. 4. Граф модели управляющего микропрограммного автомата Мура устройства автоматического определения тока ОЗЗ в электрических сетях
6-10 кВ, реализованный в пакете 8(а1сЛо\? математической системы МАТЬАВ 6.1
- диаграмма выходных сигналов (микрокоманд);
- диаграмма входных сигналов (логических условий);
- диаграмма состояний элементов памяти (D-триггеров).
На диаграммах выходных сигналов моделей управляющего микропрограммного автомата Мили и управляющего микропрограммного автомата Мура наблюдается ступенчатый переход от одной микрокоманды к последующей согласно графу автомата при выполнении логических условий. При невыпол-нении условия Х2 (отсутствие напряжения в электрической сети) происходит переход к микрокоманде Y12 (отсчет заданного интервала измерения), что показывает безошибочную работу разработанных моделей управляющих микро-программных автоматов Мили и Мура устройства автоматического определения тока ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ. Из полученных диаграмм выходных сигналов следует, что выходные сигналы автомата Мура вырабатывается с задержкой на один такт, чем в автомате Мили. Это объясняется различием данных моделей, заключающемся в том, что в автомате Мили выходной сигнал возникает одновременно с вызывающим его входным сигналом, а в автомате Мура - с задержкой на один такт, т.е. для автоматов Мура выходной сигнал оказывается зависящим от входного сигнала в предыдущий момент времени. Таким образом, автомат Мура можно рассматривать как частный случай автомата Мили [6].
Диаграммы состояний элементов памяти моделей управляющего микропрограммного автомата Мили и управляющего микропрограммного автомата Мура соответствуют кодам состояний данных автоматов.
Граф модели управляющего микропрограммного автомата Мура содержит на одно состояние больше чем граф модели управляющего микропрограммного автомата Мили устройства автоматического определения тока ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ.
Учитывая вышеперечисленное в качестве основной математической модели устройства автоматического определения тока ОЗЗ в электрических сетях 6-10 кВ принимается модель управляющего микропрограммного автомата Мили.
ЛИТЕРАТУРА
1. Утегулов Б.Б., Шинтемиров A.M. Микроконтроллерное устройство контроля параметров изоляции и тока однофазного замыкания на землю в сетях напряжением 6-10 кВ. // Материалы междунар. научно-практ. конф. «Наука и новая технология в энергетике», посвященной 90-летию академика III. Чокина- Павлодар, 2002.
2. Гулыпаев А.К. Matlab 5.3. Имитационное моделирование в среде WINDOWS: Практическое пособие. - СПб.: Корона-Принт, 2001.
3. Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник - СПб.: Питер, 2002.
4. УтегуловБ.Б., Шинтемиров A.M. Разработка управляющего микропрограммного автомата Мили устройства автоматического определения тока одно-фазного замыкания на землю в электрической сети напряжением 6-10 кВ. // Наука и техника Казахстана.- Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова.- №1, 2003.
5. Утегулов Б.Б.. Шинтемиров A.M. Разработка управляющего микропрограммного автомата Мура устройства автоматического определения тока одно-фазного замыкания на землю в электрической сети напряжением 6-Ю кВ. //Вестник ПГУ-Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова,-№1, 2003.
6. Лазарев В.Г., Пииль Е.И. Синтез управляющих автоматов. -М.: Энергоатом-издат, 1S89.
